KR20120028933A - Copper zinc tin chalcogenide nanoparticles - Google Patents
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Abstract
본 발명은 케스터라이트(구리 아연 주석 설파이드)의 나노입자 및 구리 아연 주석 셀레나이드 나노입자, 잉크 및 그의 디바이스, 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 나노입자는 박막 태양 전지 적용에서 p-형 반도체로서 흡수제 층에 유용하다.The present invention relates to nanoparticles of casterite (copper zinc tin sulfide) and copper zinc tin selenide nanoparticles, inks and devices thereof, and methods of making the same. Nanoparticles are useful in absorber layers as p-type semiconductors in thin film solar cell applications.
Description
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 하기 미국 가출원 제 61/180,179 호, 제 61/180,181 호, 제 61/180,184 호 및 제 61/180,186 호로부터 우선권을 주장하고, 그의 이점을 주장하며;This application claims 35 U.S.C. Claiming priority under §119 (e) from US Provisional Application Nos. 61 / 180,179, 61 / 180,181, 61 / 180,184, and 61 / 180,186, and claiming their benefits;
이의 각각은 2009년 5월 21일에 출원되었고, 이의 각각은 그 전체가 본원에 모든 목적을 위해 그의 일부로서 삽입되어 있다.Each of which was filed on May 21, 2009, each of which is incorporated herein in its entirety as part of it for all purposes.
본 발명은 구리 아연 주석 칼코겐화물 나노입자, 그의 조성물, 및 박막 및 디바이스에서의 그의 용도에 관한 것이다. 나노입자는 태양 전지에서 흡수제 층에 유용한 p-형 반도체이다.The present invention relates to copper zinc tin chalcogenide nanoparticles, compositions thereof, and their use in thin films and devices. Nanoparticles are p-type semiconductors useful for absorber layers in solar cells.
광기전력 또는 PV 전지라고도 하는 태양 전지 및 태양광 모듈은 태양광을 전기로 변환시킨다. 이들 디바이스는 반도체의 특정 전자적 특성을 이용해 태양의 가시광 및 근가시광 에너지를 이용가능한 전기 에너지로 변환시킨다. 이러한 변환은 반도체 물질에서의 복사 에너지의 흡수로 인한 것이고, 일부 원자가전자를 유리시켜서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 발생시킨다. 당업계에서 사용되는 바와 같은 용어 "밴드 갭 에너지(band gap energy)", "광학 밴드 갭(optical band gap)" 및 "밴드 갭(band gap)"은 반도체 물질에서 전자-정공 쌍을 발생시키는데 필요한 에너지를 말하며, 일반적으로 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 전자를 여기시키는데 필요한 최소 에너지이다.Solar cells and solar modules, also called photovoltaic or PV cells, convert sunlight into electricity. These devices use the specific electronic properties of semiconductors to convert the sun's visible and near-visible energy into available electrical energy. This conversion is due to the absorption of radiant energy in the semiconductor material and liberates some valence electrons, resulting in electron-hole pairs. As used in the art, the terms “band gap energy”, “optical band gap” and “band gap” are necessary to generate electron-hole pairs in semiconductor materials. Energy, generally the minimum energy required to excite an electron from a valence band to a conduction band.
태양 전지는 전통적으로 상대적으로 비싼 제조 과정에서 광-흡수성, 반도체성 물질로서 규소(Si)를 사용하여 제작되어 왔다. 태양 전지를 더욱 경제적으로 실행가능하게 제조하기 위해, 태양 전지 디바이스 구조물은 CIGS라고도 하는 구리-인듐-갈륨-설포-다이-셀레나이드, Cu(In, Ga)(S, Se)2와 같은 박막의, 광-흡수 반도체 물질을 저비용으로 사용할 수 있도록 개발되어 왔다. 이러한 부류의 태양 전지는 전형적으로 후면 전극층 및 n-형 접합부 파트너 층 사이에 끼워진 p-형 흡수제 층을 갖는다. 후면 전극층은 종종 Mo이며, 한편, 접합부 파트너는 종종 CdS이다. 알루미늄으로 도핑된 산화아연과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 투명 전도성 산화물(TCO)은 접합부 파트너 층 상에서 형성되고 전형적으로 투명 전극으로서 사용된다. CIS-기재 태양 전지는 19%를 초과하는 전력 변환 효율을 갖는 것으로 언급되었다.Solar cells have traditionally been fabricated using silicon (Si) as a light-absorbing, semiconducting material in relatively expensive manufacturing processes. To make the solar cell more economically viable, the solar cell device structure is made of thin films such as copper-indium-gallium-sulfo-di-selenide, Cu (In, Ga) (S, Se) 2 , also called CIGS. In addition, light-absorptive semiconductor materials have been developed for low cost use. This class of solar cells typically has a p-type absorbent layer sandwiched between a back electrode layer and an n-type junction partner layer. The back electrode layer is often Mo, while the junction partner is often CdS. Transparent conductive oxides (TCO), such as but not limited to zinc oxide doped with aluminum, are formed on the junction partner layer and are typically used as transparent electrodes. CIS-based solar cells are said to have power conversion efficiencies in excess of 19%.
나노결정질 CIGS의 개발 및 그로부터의 필름의 제조는 많은 논문 및 특허 출원에서 보고되어 왔다. 예를 들어, WO 08/021604는 약 200℃ 초과의 정상 끓는점 및 약 5㎚ 내지 약 1000㎚의 평균 입자 크기를 갖는 알킬아민 용매의 존재 하에 금속 성분을 원소 칼코겐화물 전구체와 반응시킴으로써 황동광(chalcopyrite) 나노입자를 제조하는 것을 기재한다. 반응 온도는 265℃ 내지 280℃로 다양하였다. WO 99/037832는 금속 칼코겐화물 나노입자 및 휘발성 캡핑제(capping agent)를 포함하는 콜로이드 현탁액으로부터 기판 상에서 금속 칼코겐화물 반도체 물질의 필름을 형성하는 방법을 개시한다. 콜로이드 현탁액은 금속염을 칼코겐화물 염과 반응시켜 금속 칼코겐화물을 침전시키고, 금속 칼코겐화물을 회수하고, 금속 칼코겐화물을 휘발성 캡핑제와 혼합함으로써 제조되며, 한편 WO 제 09/051862 호는 비구형의(nonspherical) 입자로부터 형성되는 반도체 박막(그의 잉크 포함)을 개시한다.The development of nanocrystalline CIGS and the production of films therefrom have been reported in many papers and patent applications. For example, WO 08/021604 discloses chalcopyrite by reacting a metal component with an elemental chalcogenide precursor in the presence of an alkylamine solvent having a normal boiling point above about 200 ° C. and an average particle size of about 5 nm to about 1000 nm. ) To prepare nanoparticles. The reaction temperature varied from 265 ° C to 280 ° C. WO 99/037832 discloses a method of forming a film of metal chalcogenide semiconductor material on a substrate from a colloidal suspension comprising metal chalcogenide nanoparticles and a volatile capping agent. Colloidal suspensions are prepared by reacting metal salts with chalcogenide salts to precipitate metal chalcogenides, recover metal chalcogenides and mix metal chalcogenides with volatile capping agents, while WO 09/051862 Disclosed is a semiconductor thin film (including its ink) formed from nonspherical particles.
박막 태양 전지에서의 CIGS의 언급된 잠재성에도 불구하고, 인듐 및 셀레늄의 독성 및 낮은 풍부함은 시판의 디바이스에서의 CIGS의 광범위한 용도 및 허용성에 대한 주요 장애이다. 박막 태양 전지의 흡수제 층에 대한 대안은 구리 아연 주석 설파이드, Cu2ZnSnS4(CZTS)이다. 이는 약 1.5eV의 직접 밴드갭(direct band gap) 및 104 ㎝-1 초과의 흡수계수를 갖는다. 또한, CZTS는 임의의 독성 또는 비풍부한(nonabundant) 원소를 포함하지 않는다. CIGS의 결정이 황동광 구조물을 갖는 반면, CZTS 결정은 c-축을 따라 이중으로 됨으로써 황동광 구조물에 대해 케스터라이트(kesterite) 구조물로 싸여 있다.Despite the mentioned potential of CIGS in thin film solar cells, the toxicity and low abundance of indium and selenium are major obstacles to the widespread use and tolerance of CIGS in commercial devices. An alternative to the absorber layer of thin film solar cells is copper zinc tin sulfide, Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). It has a direct band gap of about 1.5 eV and an absorption coefficient greater than 10 4 cm -1 . In addition, CZTS does not contain any toxic or nonabundant elements. While the crystals of CIGS have a chalcopyrite structure, the CZTS crystals are enclosed in a kesterite structure against the chalcopyrite structure by being doubled along the c-axis.
현재, CZTS를 기반으로 한 태양 전지의 개발은 CIGS-기재 태양 전지에 한참 처져 있다. 제 1 CZTS 헤테로접합 PV 전지가 1996년에 보고되었더라도, CZTS 전지에 대한 전류 기록 효율은 9.6%이다. 현재, CZTS의 박막은 Cu, SnS, 및 ZnS 전구체의 스퍼터링, 하이브리드 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법, 할라이드 및 티오우레아 착체의 분무 열분해법, 전착/열 황화(thermal sulfurization), E-빔 Cu/Zn/Sn/열 황화, 졸-겔 및 이어서 열 황화를 통해 그리고 프린트된 전구체를 통해 제조되어 왔다. 용해된 Cu-Sn 칼코겐화물(S 또는 S-Se),Currently, the development of solar cells based on CZTS is far behind CIGS-based solar cells. Although the first CZTS heterojunction PV cell was reported in 1996, the current write efficiency for the CZTS cell is 9.6%. Currently, thin films of CZTS are available for sputtering Cu, SnS, and ZnS precursors, hybrid sputtering, pulsed laser deposition, spray pyrolysis of halides and thiourea complexes, electrodeposition / thermal sulfurization, E-beam Cu / Zn / Sn Has been prepared via thermal sulfiding, sol-gel and then thermal sulfiding and via printed precursors. Dissolved Cu-Sn chalcogenide (S or S-Se),
Zn-칼코겐화물 입자, 및 과량의 칼코겐을 포함하는 하이드라진-기재 슬러리의 제조를 수반하는 CZTS에 대한 하이브리드 용액-입자 접근법이 보고되어 왔다. 하이드라진은 "독약(violent poison)"으로서 머크 인덱스(Merck Index)에서 기재된 고도로 반응성이고 잠재적으로 폭발성인 용매이다.Hybrid solution-particle approaches to CZTS have been reported involving the preparation of Zn-chalcogenide particles, and hydrazine-based slurries comprising excess chalcogen. Hydrazine is a highly reactive and potentially explosive solvent described in the Merck Index as a "violent poison."
따라서, 개선된 CZTS 입자, 및 그로부터 제조되는 조성물, 필름 및 디바이스의 개발에 대한 요구가 남아 있다.Accordingly, there remains a need for the development of improved CZTS particles and compositions, films and devices made therefrom.
한 실시 양태에서, 본 발명에서 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하는 4차 나노입자가 제공되며, 여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.In one embodiment, provided herein are quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogen, and capping agents, wherein the chalcogen is selected from the group consisting of sulfur, selenium, and mixtures thereof.
또다른 실시 양태에서, 본 발명에서 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하는 다수의 4차 나노입자를 함유하는 조성물이 제공되며, 여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.In another embodiment, provided herein are compositions containing a plurality of quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogens, and capping agents, wherein the chalcogens are sulfur, selenium, and mixtures thereof. Selected from the group consisting of:
추가의 실시 양태에서, 본 발명에서 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하는 다수의 4차 나노입자를 함유하는 조성물 및 유기 용매를 함유하는 잉크가 제공되며, 여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.In a further embodiment, in the present invention there is provided a composition containing a plurality of quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogen, and a capping agent and an ink containing an organic solvent, wherein the chalcogen is Sulfur, selenium and mixtures thereof.
더욱 또다른 실시 양태에서, 본 발명에서 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하는 다수의 4차 나노입자를 함유하는 조성물로부터 제작되는 필름이 제공되며, 여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 더욱 또다른 실시 양태에서, 본 발명에서 상기 기재된 필름을 함유하는 전자 디바이스가 제공된다.In yet another embodiment, provided herein is a film made from a composition containing a plurality of quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogen, and a capping agent, wherein the chalcogen is sulfur, Selenium and mixtures thereof. In yet another embodiment, an electronic device containing the film described above in the present invention is provided.
더욱 또다른 실시 양태에서, 본 발명에서 (a) (i) 구리, 아연 및 주석의 금속염 및/또는 착체, (ii) 하나 이상의 칼코겐 전구체(들), 및 (iii) 캡핑제의 반응 혼합물을 용매 내에서 형성하는 단계, 및 (b) 반응 혼합물을 가열하여 나노입자를 형성하는 단계에 의해, 구리-아연-주석-칼코겐화물 4차 나노입자를 제조하는 방법이 제공된다.In yet another embodiment, the reaction mixture of (a) metal salts and / or complexes of (i) copper, zinc and tin, (ii) one or more chalcogen precursor (s), and (iii) a capping agent Forming in a solvent, and (b) heating the reaction mixture to form nanoparticles, provides a method for producing copper-zinc-tin-chalcogenide quaternary nanoparticles.
더욱 또다른 실시 양태에서, 본 발명에서 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하는 다수의 4차 나노입자를 함유하는 조성물의 층을 기판 상에 침착시키고(여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨); 조성물의 침착된 층을 건조시켜 그로부터 용매를 제거함으로써 필름을 형성하는 방법이 제공된다.In yet another embodiment, in the present invention, a layer of a composition containing a plurality of quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogen, and a capping agent is deposited on a substrate (where chalcogen is sulfur , Selenium and mixtures thereof); A method of forming a film is provided by drying the deposited layer of the composition and removing solvent therefrom.
본 발명은 고도의 천연 풍부함 및 낮은 독성의 원소를 기반으로 한, 환경적으로 지속가능한 나노결정질 반도체 및 그러한 반도체의 잉크의 개발에 대한 필요성을 주장한다. 더욱이, 그러한 물질을 기반으로 한 박막 및 디바이스에 대한 필요성이 존재한다. 화석 연료의 공급이 감소하고 지구 에너지 요구가 커지는 면에서, 태양 전지에서 사용하기에 적합한 박막 흡수제 층의 제조에 유용한 나노결정질의, 환경적으로 지속가능한 반도체가 특히 바람직하다. 또한, 더 낮은 온도에서 어닐링될 수 있는 나노결정질 물질이 특히 바람직하다. 나노입자 합성 동안에, 적절한 반응 온도, 짧은 반응 시간, 및 단리 및 정제 과정에서의 최소 단계가 비용을 절감시키고, 에너지를 보존하고, 시판의 실현가능한 과정을 개발하는데 바람직하다. 합성된 반응 혼합물이 상대적으로 낮은 독성을 갖는 시약 및 용매를 이용하고 잉크 또는 잉크 전구체로서 작용할 수 있으며, 단리 또는 정제 단계가 없는 나노입자 합성 과정이 특히 바람직하다.The present invention addresses the need for the development of environmentally sustainable nanocrystalline semiconductors and inks of such semiconductors, based on highly natural richness and low toxicity elements. Moreover, there is a need for thin films and devices based on such materials. Particular preference is given to nanocrystalline, environmentally sustainable semiconductors useful in the manufacture of thin film absorber layers suitable for use in solar cells, in view of the reduced supply of fossil fuels and increased global energy requirements. Also particularly preferred are nanocrystalline materials that can be annealed at lower temperatures. During nanoparticle synthesis, appropriate reaction temperatures, short reaction times, and minimal steps in isolation and purification are desirable to reduce costs, conserve energy, and develop commercially viable processes. Synthesized reaction mixtures can utilize reagents and solvents with relatively low toxicity and can act as ink or ink precursors, with nanoparticle synthesis processes without isolation or purification steps particularly preferred.
더욱이, 나노결정질 반도체, 및 그러한 나노입자로의 합성 경로는, 그러한 나노크기의 입자가 양자 크기 효과, 크기-의존성 화학 반응성, 광학 비-선형성, 및 효율적인 광전자 방출과 같은 많은 독특한 물리화학적 특성을 갖기 때문에 흥미롭다. 나노결정질 반도체의 필름은 더 큰 입자로부터 제조되는 필름보다 유의하게 더 낮은 어닐링 온도를 갖는 박막 태양 전지에서 흡수제 층에 대해 전구체 필름으로서 작용할 수 있다. 감소된 열 소모비용(thermal budget)과 연관된 고유 에너지 절약을 능가하여, 감소된 침착 온도는 소다 석회 유리와 같은 더 낮은 비용의 기판 및 잠재적으로 고른 중합체-기재 기판의 사용을 허용하고, 한편, 기판이 분산되는 것을 완화시키고 열 응력(thermal stress)을 경감시키게 한다.Moreover, nanocrystalline semiconductors, and synthetic pathways to such nanoparticles, allow such nanosize particles to have many unique physicochemical properties such as quantum size effects, size-dependent chemical reactivity, optical non-linearity, and efficient photoelectron emission. It is interesting because Films of nanocrystalline semiconductors can act as precursor films for absorber layers in thin film solar cells with significantly lower annealing temperatures than films made from larger particles. Beyond the inherent energy savings associated with reduced thermal budget, the reduced deposition temperature allows the use of lower cost substrates such as soda lime glass and potentially even polymer-based substrates, while substrates This dissipation is alleviated and thermal stress is alleviated.
본 발명의 다양한 특색 및/또는 실시 양태는 하기 기재되는 바와 같이 도면에 예시되어 있다. 이들 특색 및/또는 실시 양태는 단지 대표적인 것이며, 도면에 포함되는 이들 특색 및/또는 실시 양태의 선택은 도면에 포함되지 않은 본 발명의 요지(subject matter)가 본 발명을 실시하기에 적합하지 않다거나 도면에 포함되지 않은 요지가 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가물의 범주로부터 배제된다는 표시로서 해석되어서는 안된다.
<도 1>
도 1-1, 1-2, 1-3 및 1-4는 실시예 1에서 제조되는 나노입자의 투과 전자 현미경("TEM")을 보여준다.
<도 2>
도 2는 실시예 2에서 제조되는 나노입자의 TEM을 보여준다.
<도 3>
도 3은 태양 전지에서 층의 적층물(stack)의 사시도를 보여준다.
<도 4>
도 4는 실시예 15에서 제조되는 바와 같은 필름에 대한 성능 데이타를 보여준다.Various features and / or embodiments of the invention are illustrated in the drawings as described below. These features and / or embodiments are merely representative, and the selection of these features and / or embodiments included in the drawings is not subject to the subject matter of the invention, which is not included in the drawings, is suitable for practicing the invention. The subject matter not included in the figures shall not be construed as an indication that they are excluded from the scope of the appended claims and their equivalents.
<Figure 1>
1-1, 1-2, 1-3 and 1-4 show transmission electron microscopy (“TEM”) of nanoparticles prepared in Example 1. FIG.
<FIG. 2>
2 shows the TEM of nanoparticles prepared in Example 2. FIG.
3,
3 shows a perspective view of a stack of layers in a solar cell.
<Figure 4>
4 shows performance data for the film as prepared in Example 15. FIG.
본 발명은 구리, 아연, 주석 및 황 및/또는 셀레늄을 함유하는 4차 나노입자를 포함하고, Cu2ZnSnS4와 같은 화합물일 수 있는 용어 "CZTS"에 의해 특정 실시 양태에서 일컬어진다. 본원에서 포함되는 다른 화합물의 예는 Cu2ZnSnSe4라고 하는 "CZTSe"; Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 및 Cu2ZnSnSxSe4-x(여기서, 0 ≤ x ≤ 4임)을 포함하여 Cu2ZnSn(S, Se)4의 모든 가능한 조합을 포함하는 "CZTS/Se"이다. 따라서, 용어 "CZTS", "CZTSe" 및 "CZTS/Se"는 다양한 화학양론을 갖는 구리 아연 주석 설파이드/셀레나이드 반도체, 예를 들어 화학식 Cu1 .94 Zn0 .63Sn1 .3S4에 의해 기재되는 것들을 포함한다. 즉, 원소의 화학양론은 2 Cu: 1 Zn: 1 Sn: 4S/Se(즉, 구리 대 아연 대 주석 대 칼코겐의 몰비는 약 2:1:1:4임)의 비에 엄격히 제한되지 않는다. 다른 실시 양태에서, Cu/(Zn+Sn)의 몰비는 1.0 미만일 수 있거나, 아연 대 주석의 몰비는 1 초과일 수 있다. 구리가 적은 CZTS 태양 전지에서, 예를 들어, Cu/(Zn+Sn)의 몰비는 1.0 미만이더라도, 고효율 디바이스에 대해서는 1 초과의 아연 대 주석의 몰비가 자주 바람직하다. 화합물은 또한, 2원 반도체, 원소 칼코겐, 나트륨, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 다양한 도판트의 소량으로 도핑될 수 있다.The present invention is referred to in certain embodiments by the term “CZTS”, which includes quaternary nanoparticles containing copper, zinc, tin and sulfur and / or selenium, which may be a compound such as Cu 2 ZnSnS 4 . Examples of other compounds included herein include "CZTSe" called Cu 2 ZnSnSe 4 ; "CZTS / which includes all possible combinations of Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 , including Cu 2 ZnSnS 4 , Cu 2 ZnSnSe 4 and Cu 2 ZnSnS x Se 4-x , where 0 ≦ x ≦ 4. Se ". Accordingly, the term "CZTS", "CZTSe" and "CZTS / Se" Sn is 1 .3 copper zinc tin sulfide / selenide semiconductor, for example, the formula Cu Zn 1 .94 0 .63 having various stoichiometric S 4 It includes those described by. That is, the stoichiometry of the element is not strictly limited to the ratio of 2 Cu: 1 Zn: 1 Sn: 4S / Se (ie, the molar ratio of copper to zinc to tin to chalcogen is about 2: 1: 1: 4). . In other embodiments, the molar ratio of Cu / (Zn + Sn) may be less than 1.0, or the molar ratio of zinc to tin may be greater than one. In low copper CZTS solar cells, for example, even if the molar ratio of Cu / (Zn + Sn) is less than 1.0, a molar ratio of more than 1 zinc to tin is often preferred for high efficiency devices. The compounds may also be doped in small amounts of various dopants selected from the group consisting of binary semiconductors, elemental chalcogens, sodium, and mixtures thereof.
CZTS는 케스터라이트 구조물과 결정화되어, 케스터라이트 구조물을 갖고, 여기서, "케스터라이트"는 케스터라이트 및 스태나이트(stannite) 계통의 광물질에 속하는 물질을 말한다. 케스터라이트는 공칭 화학식 Cu2ZnSnS4를 갖는 I4- 또는 I4-2m 공간군(space group) 내의 결정질 화합물을 말하는 광물질 명칭이다. 그러나, Fe와 같은 다른 금속이 Zn을 치환한다. 다수의 Zn이 Fe에 의해 치환된 경우, 이를 스태나이트라고 한다. 케스터라이트는 일단 2a(0,0,0) 및 2c(0,1/2,1/4) 위치 상에서 Cu, 및 2d(1/2,0,1/4) 상에서 Zn과 I4- 형태로 존재하는 것으로 생각되었지만, Zn은 Cu 위치를 차지할 수 있고 반대로 Cu가 Zn 위치를 차지할 수 있는 장애를 나타내고, 이는 I4-2m에 대한 동일성을 저하시키는 것으로 나타났다. 양이온 순서의 차이는 Cu 및 Zn에 대한 x-선 산란 인자의 유사성으로 인해 x-선 회절에 의해 구분불가능하다. 이는 중성자 회절에 의해 구분될 수 있다. 이러한 경로에 의해 생성되는 물질은 케스터라이트 구조와 일치하고 모노설파이드 및 산화물로부터 구분되는 피크를 함유하는 회절 패턴을 제공한다. 마찬가지로 X-선 흡수 분광분석법(XAS)은 케스터라이트 형태에 독특하고 모노설파이드 및 산화물과 구분가능한 스펙트럼 특색을 드러낸다. XAS의 경우, 케스터라이트 상(phase) 내 Cu 원자 및 Zn 원자의 분획이 수득된다. 전반적인 원소 화학양론에 따라 이는 케스터라이트 상 내 Cu 대 Zn의 비의 측정을 허용한다. 이는 분명하게는 응집물 내에서 동일한 원소비를 생성하는 개별 설파이드 상의 혼합물로부터 구분된다. 케스터라이트 및 스태나이트 계통의 광물질은 문헌[Hall, S.R. et al, Canadian Minerologist, 16 (1978) 131-137]과 같은 공급원에서 추가로 토의된다.CZTS is crystallized with the casterite structure and has a casterite structure, where "casterlight" refers to a substance belonging to the minerals of the casterite and stannite strains. Casterlite is a mineral name that refers to a crystalline compound in an I4- or I4-2m space group having the nominal chemical formula Cu 2 ZnSnS 4 . However, other metals, such as Fe, replace Zn. When a large number of Zn is substituted by Fe, this is called stanite. The casterite is once present in the form of Zn and I4- on Cu and 2d (1 / 2,0,1 / 4) on 2a (0,0,0) and 2c (0,1 / 2,1 / 4) positions. Although thought to be Zn, Zn can occupy the Cu position and on the contrary represents a disorder in which Cu can occupy the Zn position, which has been shown to degrade the identity for I4-2m. The difference in cation order is indistinguishable by x-ray diffraction due to the similarity of x-ray scattering factors for Cu and Zn. This can be distinguished by neutron diffraction. The material produced by this pathway provides a diffraction pattern consistent with the casterite structure and containing peaks that are distinct from monosulfide and oxide. Similarly, X-ray absorption spectroscopy (XAS) is unique to casterite forms and reveals spectral features that are distinguishable from monosulfides and oxides. In the case of XAS, fractions of Cu and Zn atoms in the casterite phase are obtained. Depending on the overall elemental stoichiometry this allows the determination of the ratio of Cu to Zn in the casterite phase. This is clearly distinguished from mixtures of individual sulfide phases which produce the same elemental ratio in the aggregates. Minerals of the casterite and stanite strains are further discussed from sources such as Hall, SR et al, Canadian Minerologist, 16 (1978) 131-137.
본 발명의 한 실시 양태에서, 구리, 아연, 주석 및 칼코겐(여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨)을 함유하는 나노입자가 제공된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "칼코겐"은 16족 원소를 말하고, 용어 "금속 칼코겐화물" 또는 "칼코겐화물"은 금속 및 16족 원소로 이루어진 반도체 물질을 말한다. 본원에서, 용어 "2원-금속 칼코겐화물"은 하나의 금속을 포함하는 칼코겐화물 조성물을 말한다. 용어 "3원-금속 칼코겐화물"은 2개의 금속을 포함하는 칼코겐화물 조성물을 말한다. 용어 "4원-금속 칼코겐화물"은 3개의 금속을 포함하는 칼코겐화물 조성물을 말한다. 용어 "다원-금속 칼코겐화물"은 2개 이상의 금속을 포함하는 칼코겐화물 조성물을 말하고, 3원 및 4원 금속 칼코겐화물 조성물을 포함한다. 금속 칼코겐화물은 광기전력 적용을 위한 유용한 후보 물질인데, 왜냐하면 이들 화합물 중 많은 화합물이 지상용 태양 스펙트럼 내에서 양호한 광학 밴드갭 값을 갖기 때문이다.In one embodiment of the invention, there is provided nanoparticles containing copper, zinc, tin and chalcogens, wherein the chalcogens are selected from the group consisting of sulfur, selenium and mixtures thereof. As used herein, the term "chalcogen" refers to a group 16 element, and the term "metal chalcogenide" or "chalcogenide" refers to a semiconductor material consisting of a metal and a group 16 element. As used herein, the term "binary-metal chalcogenide" refers to a chalcogenide composition comprising one metal. The term "ternary-metal chalcogenide" refers to a chalcogenide composition comprising two metals. The term "quaternary-metal chalcogenide" refers to a chalcogenide composition comprising three metals. The term "multi-metal chalcogenide" refers to a chalcogenide composition comprising two or more metals and includes ternary and quaternary metal chalcogenide compositions. Metal chalcogenides are useful candidates for photovoltaic applications because many of these compounds have good optical bandgap values in the ground solar spectrum.
본원에서 제공되는 구리, 아연, 주석 및 칼코겐의 입자는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 최장 치수(longest dimension)를 갖는 나노입자이다. 본원에서, 용어 "나노입자", "나노결정" 및 "나노결정질 입자"는 상호교환적으로 사용되어, 구형, 막대기, 와이어, 튜브, 파편, 위스커(whisker), 고리, 디스크 및 삼각형을 포함하여 다양한 모양 및 결정질 구조물을 갖는 입자를 말하고, 이는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚, 바람직하게는, 약 5㎚ 내지 약 500㎚, 및 가장 바람직하게는 약10㎚ 내지 약 100㎚의 최장 치수를 특징으로 하고, 여기서 접두사 "나노"는 나노 범위 내의 크기(앞서 말한 바와 같이)를 말한다. 나노입자의 최장 치수는 최장 치수를 따라 말단에서 말단으로 나노입자를 측정한 것으로서 정의되고, 이러한 치수는 입자의 모양에 좌우될 것이다. 예를 들어, 회전타원체이거나 실질적으로 회전타원체인 입자에 대해, 최장 치수는 입자에 의해 정의된 바와 같이 원의 직경일 것이다. 다른 불규칙적인 모양의 입자(예를 들어, 다각형 모양을 가질 수 있는 결정)에 대해, 최장 치수는 최장 치수가 입자의 표면 상의 임의의 2개의 점 사이의 가장 먼 거리이게 하는 대각선 또는 면일 수 있다. 나노입자의 최장 치수를 측정하는 방법은 문헌["Nanoparticles: From Theory to Application", G. Schmid, (Wiley-VCH, Weinheim, 2004)]; 및 문헌["Nanoscale Materials in Chemistry", K. J. Klabunde, (Wiley-Interscience, New York, 2001)]과 같은 공급원에서 추가로 토의된다. 본 발명의 일부 특정 실시 양태에서, 본원에서 제공되는 나노입자의 모양은 삼각형이다.The particles of copper, zinc, tin and chalcogen provided herein are nanoparticles having a longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm. As used herein, the terms “nanoparticle”, “nanocrystal” and “nanocrystalline particle” are used interchangeably to include spheres, rods, wires, tubes, debris, whiskers, rings, discs, and triangles. Particles having various shapes and crystalline structures, which are characterized by the longest dimension of from about 1 nm to about 1000 nm, preferably from about 5 nm to about 500 nm, and most preferably from about 10 nm to about 100 nm. Where the prefix "nano" refers to a size (as mentioned above) within the nanoscale. The longest dimension of a nanoparticle is defined as the measurement of the nanoparticle from end to end along the longest dimension, which dimension will depend on the shape of the particle. For example, for a spheroidal or substantially spheroidal particle, the longest dimension will be the diameter of the circle as defined by the particle. For other irregularly shaped particles (eg, crystals that may have a polygonal shape), the longest dimension may be a diagonal or facet that causes the longest dimension to be the longest distance between any two points on the surface of the particle. Methods for determining the longest dimension of nanoparticles are described in "Nanoparticles: From Theory to Application", G. Schmid, (Wiley-VCH, Weinheim, 2004); And sources such as "Nanoscale Materials in Chemistry", K. J. Klabunde, (Wiley-Interscience, New York, 2001). In some specific embodiments of the invention, the shape of the nanoparticles provided herein is triangular.
그의 또다른 실시 양태에서, 제공되는 구리, 아연, 주석 및 칼코겐의 나노입자는 본원에서 캡핑제를 혼입할 수 있고, 이는 물리적으로 입자의 표면에 흡수 또는 흡착되거나 화학적으로 결합되는 기 또는 리간드일 수 있다. 캡핑제는 입자 상에서 단층 또는 코팅물의 유형으로서 기능하고, 분산 보조제로서 작용할 수 있다. 리간드가 캡핑제로서 기능하는 경우, 금속 착체는 종종 금속이 분자 또는 음이온의 주변 어레이에 결합되도록 형성된다. 중심 원자 또는 이온에 직접 결합되는 리간드 내 원자는 공여체 원자라고 일컬어지고 이는 종종 질소, 산소, 인 또는 황을 포함한다. 리간드는 금속 원자에 적어도 하나의 전자쌍을 공여한다. 본원에서 사용하기에 적합한 캡핑제의 예에는 하기 중 임의의 하나 이상이 포함된다:In another embodiment thereof, provided nanoparticles of copper, zinc, tin and chalcogen may incorporate a capping agent herein, which may be a group or ligand that is physically absorbed or adsorbed or chemically bound to the surface of the particle. Can be. The capping agent functions as a type of monolayer or coating on the particles and can act as a dispersing aid. When the ligand functions as a capping agent, the metal complex is often formed such that the metal is bound to a peripheral array of molecules or anions. Atoms in ligands that are directly attached to a central atom or ion are called donor atoms and often include nitrogen, oxygen, phosphorus or sulfur. Ligands donate at least one electron pair to a metal atom. Examples of capping agents suitable for use herein include any one or more of the following:
(a) 질소-, 산소-, 황-, 또는 인-기재 작용기와 같은 작용기를 함유하는 유기 분자;(a) organic molecules containing functional groups such as nitrogen-, oxygen-, sulfur-, or phosphorus-based functional groups;
(b) 루이스 염기; 다양한 실시 양태에서, 루이스 염기는 주위 압력에서 약 150℃ 이상의 끓는점을 갖도록 선택될 수 있고/거나, 유기 아민, 산화포스핀, 포스핀, 티올 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있음;(b) Lewis bases; In various embodiments, the Lewis base may be selected to have a boiling point of at least about 150 ° C. at ambient pressure and / or may be selected from the group consisting of organic amines, phosphine oxides, phosphines, thiols, and mixtures thereof;
(c) 전자쌍-공여기, 또는 전자쌍-공여기로 변환될 수 있고 주위 압력에서 약 150℃ 미만의 끓는점을 갖는 기;(c) a group that can be converted to an electron pair-donating group, or an electron pair-donating group and has a boiling point of less than about 150 ° C. at ambient pressure;
(d) 1차, 2차 또는 3차 아민기 또는 아미드기, 니트릴기, 아이소니트릴기, 시아네이트기, 아이소시아네이트기, 티오시아네이트기, 아이소티오시아네이트기, 아자이드기, 티오기, 티올레이트기, 설파이드기, 설피네이트기, 설포네이트기, 포스페이트기, 포스핀기, 포스파이트기, 하이드록실기, 알콜레이트기, 페놀레이트기, 에테르기, 카르보닐기 및 카르복실레이트기;(d) primary, secondary or tertiary amine groups or amide groups, nitrile groups, isonitrile groups, cyanate groups, isocyanate groups, thiocyanate groups, isothiocyanate groups, azide groups, thio groups, Thiolate group, sulfide group, sulfinate group, sulfonate group, phosphate group, phosphine group, phosphite group, hydroxyl group, alcoholate group, phenolate group, ether group, carbonyl group and carboxylate group;
(e) 카르복실산, 카브복실산 무수물, 및 글리시딜기; 암모니아, 메틸 아민, 에틸 아민, 부틸아민, 테트라메틸에틸렌 다이아민, 아세토니트릴, 에틸 아세테이트, 부탄올, 피리딘, 에탄티올, 테트라하이드로푸란, 및 다이에틸 에테르;(e) carboxylic acid, carboxylic anhydride, and glycidyl group; Ammonia, methyl amine, ethyl amine, butylamine, tetramethylethylene diamine, acetonitrile, ethyl acetate, butanol, pyridine, ethanethiol, tetrahydrofuran, and diethyl ether;
(f) 올레일아민과 같이 나노입자가 형성되는 용매; 및/또는(f) a solvent in which nanoparticles are formed, such as oleylamine; And / or
(g) 아민, 아미드, 니트릴, 아이소니트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 티오시아네이트, 아이소티오시아네이트, 아자이드, 티오카르보닐, 티올레이트, 설파이드, 설피네이트, 설포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스파이트, 하이드록실, 알콜레이트, 페놀레이트, 에테르, 카르보닐, 카르복실레이트, 카르복실산, 카르복실산 무수물, 글리시딜 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 부재(member).(g) amines, amides, nitriles, isonitriles, cyanates, isocyanates, thiocyanates, isothiocyanates, azides, thiocarbonyls, thiolates, sulfides, sulfinates, sulfonates, phosphates, phosphines, A member selected from the group consisting of phosphites, hydroxyls, alcoholates, phenolates, ethers, carbonyls, carboxylates, carboxylic acids, carboxylic anhydrides, glycidyls and mixtures thereof.
더욱 또다른 실시 양태에서, 본 발명은 상기 기재된 바와 같은 다수의 나노입자를 함유하는 조성물을 제공한다. 그러한 조성물은 예를 들어, 입자의 평균 최장 치수가 약 10㎚ 내지 약 100㎚의 범위 내에 있고 표준편차는 약 10㎚ 이하이도록 입자 크기 분포를 가질 수 있다.In yet another embodiment, the present invention provides a composition containing a plurality of nanoparticles as described above. Such compositions can have a particle size distribution such that, for example, the average longest dimension of the particles is in the range of about 10 nm to about 100 nm and the standard deviation is about 10 nm or less.
본원에서 제공되는 바와 같은 나노입자는 유기 용매와 같은 용매 내에서 반응 혼합물 내에서 제조될 수 있다. 적합한 유기 용매에는 루이스 염기, 및 루이스 염기를 형성할 수 있는 유기 용매가 포함된다. 용매의 목적은 반응을 위한 매질을 제공하고 나노입자의 응집을 최소화하거나 방지하는 것을 돕는 것이다. 용매 및 캡핑제 둘다로서 작용하는 적합한 유기 용매는 루이스 염기성 작용기를 갖는 용매를 포함한다. 루이스 염기성 용매는, 그것이 항상은 아니지만 자주 나노입자의 표면을 덮고 나노입자가 응집되는 것을 방지하는 코디네이팅 매질(coordinating media)을 제공하는데 성공하므로 그러한 목적에 유용하다. 일부 특정 부류의 적합한 유기 용매에는 유기 아민, 산화포스핀, 포스핀 및 티올이 포함된다. 바람직한 용매는 알킬 아민이고, 도데실아민, 테트라데실 아민, 헥사데실 아민, 옥타데실 아민, 올레일아민, 및 트라이옥틸아민으로 이루어진 군으로부터의 기가 더욱 바람직하고, 올레일아민이 특히 바람직하다. 본원에서 사용하기에 적합한 용매에는 주위 압력에서 약 150℃ 이상의 끓는점을 갖는 것들이 포함된다. 예를 들어, 주위 압력에서 약 150℃ 이상의 끓는점을 갖는 루이스 염기 용매가 또한 유용하며, 유기 아민, 산화포스핀, 포스핀 및 티올로 이루어진 군은 주위 압력에서 약 150℃ 이상의 끓는점을 갖는 것이 더욱 바람직하고, 주위 압력에서 약 150℃ 이상의 끓는점을 갖는 알킬 아민이 특히 바람직하다.Nanoparticles as provided herein can be prepared in a reaction mixture in a solvent such as an organic solvent. Suitable organic solvents include Lewis bases, and organic solvents capable of forming Lewis bases. The purpose of the solvent is to provide a medium for the reaction and to help minimize or prevent agglomeration of the nanoparticles. Suitable organic solvents that act as both solvents and capping agents include solvents having Lewis basic functional groups. Lewis basic solvents are useful for that purpose because they often, but not always, succeed in providing a coordinating media that covers the surface of the nanoparticles and prevents the nanoparticles from agglomerating. Some particular classes of suitable organic solvents include organic amines, phosphine oxides, phosphines and thiols. Preferred solvents are alkyl amines, more preferably from the group consisting of dodecylamine, tetradecyl amine, hexadecyl amine, octadecyl amine, oleylamine, and trioctylamine, with oleylamine being particularly preferred. Solvents suitable for use herein include those having a boiling point of at least about 150 ° C. at ambient pressure. For example, Lewis base solvents having a boiling point of at least about 150 ° C. at ambient pressure are also useful, and the group consisting of organic amines, phosphine oxide, phosphine and thiols more preferably has a boiling point of at least about 150 ° C. at ambient pressure. And alkyl amines having a boiling point of at least about 150 [deg.] C. at ambient pressure.
구리, 아연 및 주석의 금속염 및/또는 착체는 구리, 아연 및 주석의 공급원으로서 사용된다. 이들은 하나 이상의 유기 리간드(들)의 구리 착체, 아연 착체, 및 주석 착체를 포함할 수 있다. 적합한 금속염 및/또는 착체는 또한, 구리(I), 구리(II), 아연(II), 주석(II) 및 주석(IV)과 유기 및/또는 무기 상대이온 및 리간드와의 착체 및 염을 포함한다. 구리(I), 구리(II), 아연(II), 주석(II) 및 주석(IV) 할라이드, 아세테이트, 및 2,4-펜탄다이오네이트를 포함하는 금속염 및/또는 착체가 특히 바람직하다. 적합한 칼코겐 공급원 또는 전구체는 원소 황, 원소 셀레늄 또는 혼합물이다. 칼코겐 공급원으로서 원소 칼코겐을 사용할 때의 이점은 반응 혼합물 그 자체를 추가의 정제 없이 잉크 또는 잉크 전구체로서 사용하는 것을 용이하게 한다는 점이다. 유기 리간드와의 구리(I), 구리(II), 아연(II), 주석(II) 및 주석(IV) 착체는 반응 혼합물이 잉크 또는 잉크 전구체로서 사용될 적용에 바람직하다. 아세테이트 및 2,4-펜탄다이오네이트의 구리(I), 구리(II), 아연(II), 주석(II) 및 주석(IV) 착체는 이러한 적용에 특히 바람직하다.Metal salts and / or complexes of copper, zinc and tin are used as sources of copper, zinc and tin. These may include copper complexes, zinc complexes, and tin complexes of one or more organic ligand (s). Suitable metal salts and / or complexes also include complexes and salts of copper (I), copper (II), zinc (II), tin (II) and tin (IV) with organic and / or inorganic counterions and ligands. do. Particular preference is given to metal salts and / or complexes comprising copper (I), copper (II), zinc (II), tin (II) and tin (IV) halides, acetates, and 2,4-pentanedionate. Suitable chalcogen sources or precursors are elemental sulfur, elemental selenium or mixtures. An advantage of using elemental chalcogen as a chalcogen source is that it facilitates the use of the reaction mixture itself as an ink or ink precursor without further purification. Copper (I), copper (II), zinc (II), tin (II) and tin (IV) complexes with organic ligands are preferred for applications in which the reaction mixture will be used as an ink or ink precursor. Copper (I), copper (II), zinc (II), tin (II) and tin (IV) complexes of acetate and 2,4-pentanedionate are particularly preferred for this application.
다른 적합한 구리 염 및/또는 착체에는 구리(I) 할라이드, 구리(I) 아세테이트, 구리(I) 2,4-펜탄다이오네이트, 구리(II) 할라이드, 구리(II) 아세테이트, 및 구리(II) 2,4-펜탄다이오네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것들이 포함되며; 아연 염 및/또는 착체는 아연(II) 할라이드, 아연(II) 아세테이트, 및 아연(II) 2,4-펜탄다이오네이트로 이루어진 군으로부터 선택되며; 주석 염 및/또는 착체는 주석(II) 할라이드, 주석(II) 아세테이트, 주석(II) 2,4-펜탄다이오네이트, 주석(IV) 할라이드, 주석(IV) 아세테이트, 및 주석(IV) 2,4-펜탄다이오네이트로 이루어진 군으로부터 선택된다.Other suitable copper salts and / or complexes include copper (I) halides, copper (I) acetates, copper (I) 2,4-pentanedionates, copper (II) halides, copper (II) acetates, and copper (II) Those selected from the group consisting of 2,4-pentanedionate; Zinc salts and / or complexes are selected from the group consisting of zinc (II) halides, zinc (II) acetate, and zinc (II) 2,4-pentanedionates; Tin salts and / or complexes include tin (II) halides, tin (II) acetates, tin (II) 2,4-pentanedionates, tin (IV) halides, tin (IV) acetates, and tin (IV) 2, 4-pentanedionate is selected from the group consisting of.
상기 언급된 바와 같이, 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "금속 착체"는 금속이 분자 또는 음이온의 주변 어레이에 결합되는 조성물을 말하며, 전형적으로 "리간드" 또는 "착화제"라고 한다. 중심 원자 또는 이온에 직접 결합되는 리간드 내의 원자를 공여체 원자라고 하며 이는 종종 질소, 산소, 인 또는 황을 포함한다. 리간드는 금속 원자에 적어도 하나의 전자쌍을 공여한다. 본원에서, 용어 "하나 이상의 유기 리간드(들)의 착체"는 금속 아세테이트 및 금속 아세틸아세토네이트를 포함하여 하나 이상의 유기 리간드를 포함하는 금속 착체를 말하며, 이는 또한 "2,4-펜탄다이오네이트"라고도 한다. 용어 "금속염"은 금속 양이온 및 무기 음이온이 이온결합에 의해 접합되는 조성물을 말한다.적절한 부류의 무기 음이온은 옥사이드, 설파이드, 카르보네이트, 설페이트 및 할라이드를 포함한다.As mentioned above, the term "metal complex" as used herein refers to a composition in which a metal is bound to a peripheral array of molecules or anions, and is typically referred to as "ligand" or "complexing agent". Atoms in ligands that are directly attached to a central atom or ion are called donor atoms and often include nitrogen, oxygen, phosphorus or sulfur. Ligands donate at least one electron pair to a metal atom. As used herein, the term “complex of one or more organic ligand (s)” refers to a metal complex comprising one or more organic ligands, including metal acetate and metal acetylacetonate, which is also referred to as “2,4-pentanedionate” do. The term "metal salt" refers to a composition in which metal cations and inorganic anions are conjugated by ionic bonds. Suitable classes of inorganic anions include oxides, sulfides, carbonates, sulfates and halides.
가열 맨틀, 가열 블록, 또는 오일/모래 조(bath)는 반응 혼합물을 함유하는 플라스크를 가열하는데 사용될 수 있다. 대안적으로는, 가열은 전자파 복사를 이용해 수행될 수 있다. 자기 교반기는 보통 플라스크 내부에 놓여서 반응 혼합물이 잘 혼합되게 한다. 임의로, 합성 후에, 나노입자는 하나 이상의 비용매(nonsolvent) 또는 항용매(antisolvent)를 이용한 침전을 통한 반응 부산물 및 비-연결된(non-ligated) 용매로부터 분리될 수 있다. 나노입자의 침전에 바람직한 항용매는 유기 양성자성 용매 또는 그의 혼합물이며, 메탄올 및 에탄올이 특히 바람직하다.A heating mantle, heating block, or oil / sand bath can be used to heat the flask containing the reaction mixture. Alternatively, heating can be performed using electromagnetic radiation. A magnetic stirrer is usually placed inside the flask to allow the reaction mixture to mix well. Optionally, after synthesis, nanoparticles can be separated from reaction by-products and non-ligated solvents via precipitation with one or more nonsolvents or antisolvents. Preferred antisolvents for the precipitation of nanoparticles are organic protic solvents or mixtures thereof, with methanol and ethanol being particularly preferred.
그의 과정의 또다른 실시 양태에서, 구리, 아연 및 주석의 개별 금속염은 올레일아민과 같은 용매 내에서 따로 용해되어 용액을 형성한다. 용액은 혼합되어 혼합물을 형성하며, 이는 약 100℃에서 유지된다. 용매 내 황과 같은 원소 칼코겐의 용액은 혼합물에 첨가된다. 온도는 230℃로 상승되어, 여기서 반응 색상이 담갈색에서 검정색으로 변하고, 이는 나노입자의 형성을 나타낸다. 반응 가열은 10분 후에 중지되고, 시스템은 1시간 동안 냉각되게 놔둔다. 다음, 반응은 에탄올과 같은 유기 극성 양성자성 항용매 또는 용매 및 항용매의 혼합물을 이용해 중지되고, 용액은 원심분리된다. 고체는 튜브의 바닥으로 이동하고, 상청액을 디캔팅함으로써 수합된다. 고체 물질은 용매 또는 용매의 혼합물 내에서 목적하는 농도로 재현탁된다.In another embodiment of the process, the individual metal salts of copper, zinc and tin are dissolved separately in a solvent such as oleylamine to form a solution. The solution is mixed to form a mixture, which is maintained at about 100 ° C. A solution of elemental chalcogens such as sulfur in the solvent is added to the mixture. The temperature is raised to 230 ° C. where the reaction color changes from light brown to black, indicating the formation of nanoparticles. The reaction heating is stopped after 10 minutes and the system is left to cool for 1 hour. The reaction is then stopped using an organic polar protic antisolvent such as ethanol or a mixture of solvent and antisolvent and the solution is centrifuged. Solids are collected by moving to the bottom of the tube and decanting the supernatant. The solid material is resuspended to the desired concentration in a solvent or mixture of solvents.
그의 과정의 또다른 실시 양태에서, 반응물 성분은 연속해서 차례로 첨가된다. 즉, 구리, 아연 및 주석의 개별 염 또는 착체는 용매 내에서 따로 용해되어 용액을 형성한다. 원소 칼코겐은 용매 내에서 용해되어 칼코겐 용액을 형성한다. 주석 용액 및 아연 용액은 혼합되어 2원 용액을 형성한다. 구리 용액은 2원 용액과 혼합되어 3차 용액을 형성한다. 후속한 단계에서, 3차 용액은 아르곤 하에 160℃ 내지 230℃로 가열된다. 칼코겐 용액은 상기로부터 선택된 온도에서 3차 용액과 혼합되어 4차 용액을 형성한다. 이어서, 4차 용액은 냉각되어 구리 아연 주석 설파이드 나노입자를 형성한다. 구리 아연 주석 설파이드 나노입자는 유기 용매와 같은 비용매를 첨가함으로써 용매로부터 분리된다. 유기 용매는 극성, 양성자성 유기 용매, 또는 극성, 양성자성 유기 용매 및 비극성 또는 극성 비양성자성 유기 용매의 2원 혼합물일 수 있다. 구리 아연 주석 설파이드 나노입자는 상청액을 원심분리하고 디캔팅함으로써 유기 용매로부터 분리된다.In another embodiment of the process, the reactant components are added sequentially one after the other. That is, the individual salts or complexes of copper, zinc and tin are dissolved separately in a solvent to form a solution. Elemental chalcogen is dissolved in a solvent to form a chalcogen solution. The tin solution and zinc solution are mixed to form a binary solution. The copper solution is mixed with the binary solution to form a tertiary solution. In the subsequent step, the tertiary solution is heated to 160 ° C. to 230 ° C. under argon. The chalcogen solution is mixed with the tertiary solution at a temperature selected from above to form a quaternary solution. The quaternary solution is then cooled to form copper zinc tin sulfide nanoparticles. Copper zinc tin sulfide nanoparticles are separated from the solvent by adding a nonsolvent such as an organic solvent. The organic solvent may be a polar, protic organic solvent or a binary mixture of polar, protic organic solvents and nonpolar or polar aprotic organic solvents. Copper zinc tin sulfide nanoparticles are separated from the organic solvent by centrifuging and decanting the supernatant.
그의 과정의 또다른 실시 양태에서, 구리, 아연 및 주석의 개별 금속염 및/또는 착체는 용매 및 캡핑제의 혼합물에 차례로 따로 첨가되어 반응 혼합물을 형성할 수 있으며, 이어서 반응 혼합물에 칼코겐 전구체가 첨가된다. 용매 및 캡핑제가 혼합물 내에 함께 존재하는 경우, 캡핑제는 전형적으로 루이스 염기에 선택될 것이고, 용매는 전형적으로 루이스 염기가 아닌 것으로 또는 캡핑제보다 나노입자에 덜 강하게 결합하는 루이스 염기인 것으로 선택될 것이다.In another embodiment of the process, the individual metal salts and / or complexes of copper, zinc and tin may be added separately to the mixture of solvent and capping agent in turn to form a reaction mixture, followed by the addition of a chalcogen precursor to the reaction mixture. do. If the solvent and capping agent are present together in the mixture, the capping agent will typically be selected for the Lewis base, and the solvent will typically be selected to be not a Lewis base or to be a Lewis base that binds the nanoparticles less strongly than the capping agent. .
본 발명에서, 전형적인 온도보다 더 낮은 온도에서 나노입자 형성을 수득하는 것이 유리하며, 약 130℃ 내지 약 300℃의 온도가 바람직하며, 약 160℃ 내지 약 230℃가 더욱 바람직하며, 약 160℃ 내지 약 200℃가 가장 바람직하다. 약 160℃ 내지 약 200℃에서, 본원에서 기재된 과정은 자주 약 10㎚ 내지 약 100㎚의 크기 범위 내에서 최장 치수를 갖는 나노입자를 제공한다. 이들 낮은 온도는 대기압에서 또는 대기압 근처에서 절차를 수행하고, 더 낮은 끓는점의 용매 및 캡핑제를 사용하는 이점을 제공한다. 이는 어닐링된 필름에서 더 적은 탄소-기재 불순물을 초래할 것이다. 약 160℃ 내지 약 230℃의 더욱 바람직한 온도는 금속 칼코겐화물 나노입자의 제조를 위해 전형적으로 보고된 온도보다 더 낮아서, 에너지 절약을 초래한다.In the present invention, it is advantageous to obtain nanoparticle formation at temperatures lower than typical temperatures, preferably from about 130 ° C. to about 300 ° C., more preferably from about 160 ° C. to about 230 ° C., from about 160 ° C. to About 200 ° C. is most preferred. At about 160 ° C. to about 200 ° C., the procedures described herein frequently provide nanoparticles with the longest dimension in the size range of about 10 nm to about 100 nm. These low temperatures offer the advantage of performing the procedure at or near atmospheric and using lower boiling solvents and capping agents. This will result in less carbon-based impurities in the annealed film. More preferred temperatures of about 160 ° C. to about 230 ° C. are lower than temperatures typically reported for the preparation of metal chalcogenide nanoparticles, resulting in energy savings.
특히 금속 산화물의 가능한 형성으로 인해, 칼코겐화물 나노입자의 합성 동안에 산소 및/또는 물이 반응 매질 내에 존재하는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 특수 기술 및 장비가 산소가 없는 대기를 달성하는데 이용가능하다. 그와 같이, 반응물(들)은 예를 들어, 응축기 및 둥근 바닥 플라스크에 연결된 진공 라인 또는 쉬렝크 라인(Schlenk line)을 사용해 산소가 없는 대기 내 또는 글로브 박스 내의 용액(들) 내에서 제조될 수 있다. 그러나, 산소가 시스템 내로 도입되는 것이 불가피하다면, 예를 들어 용매 또는 전구체 용액의 반응 플라스크에의 첨가 동안에, 추가의 단계를 진행하기 전에 산소를 제거하기 위해 불활성 기체(예를 들어, N2 , Ar, 또는 He)로 시스템을 퍼지(purge)하고/거나 탈기시키는 것이 필요할 수 있다. 산소가 없는 대기 조건 하에서 본원의 반응을 수행하는 것이 유용할 수 있더라도, 그러한 산소가 없는 환경은 본원에 필요하지 않고, 본 교시의 범주를 제한하는 것으로 보여져서는 안될 것이고, 그래서 본 출원인들은 본원에서 산소 및 물의 존재를 제한하였으나 본질적으로 배제하지 않은 조건 하에서의 CZTS 나노입자의 형성을 보고한다.In particular due to the possible formation of metal oxides, it is desirable to prevent oxygen and / or water from being present in the reaction medium during the synthesis of the chalcogenide nanoparticles. Special techniques and equipment are available to achieve an oxygen free atmosphere. As such, the reactant (s) may be prepared, for example, in an oxygen-free atmosphere or in solution (s) in a glove box using a vacuum line or Schlenk line connected to a condenser and a round bottom flask. have. However, if it is inevitable that oxygen is introduced into the system, for example during the addition of the solvent or precursor solution to the reaction flask, an inert gas (eg N 2 , Ar, for example, to remove oxygen before proceeding with further steps) It may be necessary to purge and / or degas the system with, or He). Although it may be useful to carry out the reaction herein under atmospheric conditions free of oxygen, such an oxygen free environment is not required herein and should not be viewed as limiting the scope of the present teachings, so applicants herein And the formation of CZTS nanoparticles under conditions that limit the presence of water but do not essentially exclude it.
본원에서 기재된 과정은 합성 과정의 바람직한 간단성을 특징으로 한다. 더욱 특히, 개시된 반응은 매우 빠르고, 그래서 결정질 CZTS 나노입자는 구성 전구체가 첨가된 후 수분 내에 형성된다. 또한, 나노입자의 합성은 대기압 근처에서 적절한 온도에서 수행된다. 합성은 산소의 존재를 용인한다. 즉, 많은 경우에 있어서, 나노입자는 아르곤 분위기 하에 형성되었으나, 전구체 용액은 공기 내에서 제조되었고 탈기되지 않았다. 더욱이, 칼코겐화물 나노입자의 합성에 사용되는 전구체는 보편적으로 이용가능하고, 저독성이며, 취급이 용이하다. 최근에, 예를 들어, 특수 장비가 고온 및 고압에서 달성하는데 필요하지 않기 때문에 합성 방법에 필요한 장비가 보편적으로 이용가능하다.The procedure described herein is characterized by the desired simplicity of the synthetic procedure. More particularly, the disclosed reactions are very fast, so crystalline CZTS nanoparticles form within minutes after the constituent precursor is added. In addition, the synthesis of nanoparticles is carried out at an appropriate temperature near atmospheric pressure. Synthesis tolerates the presence of oxygen. That is, in many cases, the nanoparticles were formed under argon atmosphere, but the precursor solution was prepared in air and did not degas. Moreover, the precursors used for the synthesis of chalcogenide nanoparticles are universally available, low toxicity and easy to handle. Recently, the equipment necessary for the synthesis process is universally available, for example, because no special equipment is required to achieve at high temperatures and pressures.
본 발명의 더욱 또다른 실시 양태에서, 본원에서 기재된 과정에 의해 생성되는 나노입자는 고도로 단분산된다.In yet another embodiment of the invention, the nanoparticles produced by the procedures described herein are highly monodisperse.
본원에서 기재되는 과정은 4차 금속 칼코겐화물 CZTS 나노입자를 합성하는데 사용될 수 있다. 본원에서 제조되는 CZTS 나노입자는 비극성 용매 내에서 안정한 분산액을 형성하는 좁은 크기 분포를 갖는 결정질 입자를 포함한다. 그의 과정에 의해 제조되는 바와 같은 입자는 XRD, TEM, ICP-MS, EDAX, DLS, 및 AFM을 통해 특징화되었다. DLS는 각 카테고리 내의 매우 좁은 크기 분포(예컨대 10±10㎚ 및 50±10㎚)를 드러냈다. XRD는 케스터라이트 구조물의 존재를 확인하였다. ICP 및 EDAX는, 반응물의 연속적 첨가 및 전구체로서의 칼코겐의 사용은 티오우레아와 같은 칼코겐의 다른 공급원 또는 동시 첨가를 이용하는 반응 조건에 대해 더욱 정확한 CZTS/Se 화학양론을 제공함을 나타내었다.The procedure described herein can be used to synthesize quaternary metal chalcogenide CZTS nanoparticles. The CZTS nanoparticles prepared herein comprise crystalline particles having a narrow size distribution which forms a stable dispersion in a nonpolar solvent. Particles as prepared by the procedure were characterized via XRD, TEM, ICP-MS, EDAX, DLS, and AFM. DLS revealed very narrow size distributions (
본원에서 기재되는 과정은 케스터라이트 구조물 및 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 평균 최장 치수를 특징으로 하는 4차 나노입자를 포함하는 조성물, 또는 구리, 주석, 아연 및 하나 이상의 칼코겐(들)으로 이루어지고 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 평균 최장 치수를 특징으로 하는 4차 나노입자를 포함하는 조성물을 제조하는데 사용될 수 있다.The process described herein consists of a composition comprising quaternary nanoparticles characterized by a casterite structure and an average longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm, or copper, tin, zinc and one or more chalcogen (s). It can be used to prepare a composition comprising quaternary nanoparticles characterized by an average longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm.
본원에서 기재되는 과정은 구리, 아연, 주석, 칼코겐 및 캡핑제를 함유하는 나노입자를 제조하는데 사용될 수 있으며, 여기서, 칼코겐은 황, 셀레늄 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 나노입자는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 최장 치수를 갖는다. 본 발명의 과정의 다른 실시 양태는 하기 특색 중 하나 이상을 갖는 나노입자를 제조하는 능력을 특징으로 한다:The procedures described herein can be used to prepare nanoparticles containing copper, zinc, tin, chalcogens and capping agents, wherein the chalcogens are selected from the group consisting of sulfur, selenium and mixtures thereof, and the nanoparticles It has the longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm. Another embodiment of the process of the invention features the ability to prepare nanoparticles having one or more of the following features:
케스터라이트 구조물;Casterite structures;
약 2:1:1:4인 구리 대 아연 대 주석 대 칼코겐의 몰비;A molar ratio of copper to zinc to tin to chalcogen that is about 2: 1: 1: 4;
1 미만인 구리 대 (아연 + 주석)의 몰비;Molar ratio of copper to (zinc + tin) less than 1;
1 초과인 아연 대 주석의 몰비;Molar ratio of zinc to tin that is greater than 1;
약 10㎚ 내지 약 100㎚인 최장 치수;Longest dimension, about 10 nm to about 100 nm;
나트륨과 같은 도판트가 존재함;Dopants such as sodium are present;
캡핑제는 루이스 염기를 포함함;Capping agents include Lewis bases;
캡핑제는 루이스 염기를 포함하며, 여기서, 주위 압력에서의 루이스 염기의 끓는점은 약 150℃ 이상이고, 루이스 염기는 유기 아민, 산화포스핀, 포스핀, 티올 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨;The capping agent comprises a Lewis base, wherein the boiling point of the Lewis base at ambient pressure is at least about 150 ° C. and the Lewis base is selected from the group consisting of organic amines, phosphine oxides, phosphines, thiols and mixtures thereof;
캡핑제는 올레일아민을 포함함;Capping agents include oleylamine;
캡핑제는 주위 압력에서 약 150℃ 미만의 끓는점을 갖고, 적어도 하나의 전자쌍-공여기 또는 전자쌍-공여기로 변환될 수 있는 기를 포함함; 및/또는The capping agent has a boiling point of less than about 150 ° C. at ambient pressure and includes groups that can be converted to at least one electron pair-donating group or electron pair-donating group; And / or
캡핑제는 아민, 아미드, 니트릴, 아이소니트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 티오시아네이트, 아이소티오시아네이트, 아자이드, 티오카르보닐, 티올레이트, 설파이드, 설피네이트, 설포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스파이트, 하이드록실, 알콜레이트, 페놀레이트, 에테르, 카르보닐, 카르복실레이트, 카르복실산, 카르복실산 무수물, 글리시딜, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨.Capping agents include amines, amides, nitriles, isonitriles, cyanates, isocyanates, thiocyanates, isothiocyanates, azides, thiocarbonyls, thiolates, sulfides, sulfinates, sulfonates, phosphates, phosphines, Phosphite, hydroxyl, alcoholate, phenolate, ether, carbonyl, carboxylate, carboxylic acid, carboxylic anhydride, glycidyl, and mixtures thereof.
본원에 기재되는 과정은 또한 상기 기재된 바와 같은 다수의 나노입자를 함유하는 조성물을 제조하는데 사용될 수 있고, 나노입자의 그러한 조성물은 약 10㎚ 내지 약 100㎚의 평균 최장 치수를 가질 수 있고 표준편차는 약 10㎚ 이하이다.The procedures described herein can also be used to prepare compositions containing multiple nanoparticles as described above, such compositions of nanoparticles can have an average longest dimension of about 10 nm to about 100 nm and the standard deviation is About 10 nm or less.
또다른 실시 양태에서, 본 발명은 추가로, CZTS 나노입자(상기 기재된 바와 같은 및/또는 상기 기재된 과정에 의해 제조되는 바와 같은) 및 하나 이상의 유기 용매(들)를 함유하는 잉크를 제공한다. 다양한 실시 양태에서, 출발 금속 성분 및 용매의 반응 혼합물은 그 자체가 추가의 정제 없이 잉크로서 사용될 수 있다. 임의로, 반응 혼합물로부터의 침전 후, 나노입자는 용매 또는 용매의 혼합물 내에서 목적하는 농도에서 재현탁되어, 잉크를 제공할 수 있다. 바람직한 유기 용매는 방향족, 알칸, 니트릴, 에테르, 케톤, 에스테르 및 유기 할라이드 또는 그의 혼합물을 포함하며, 톨루엔, p-자일렌, 헥산, 헵탄, 클로로포름, 메틸렌 클로라이드 및 아세토니트릴이 특히 바람직하다. 용매 내 나노입자의 바람직한 농도는 약 1중량% 내지 약 70중량%이고, 약 5중량% 내지 약 50중량%가 더욱 바람직하고, 약 10중량% 내지 약 40중량%가 가장 바람직하다.In another embodiment, the present invention further provides an ink containing CZTS nanoparticles (as described above and / or prepared by the processes described above) and one or more organic solvent (s). In various embodiments, the reaction mixture of starting metal component and solvent may itself be used as ink without further purification. Optionally, after precipitation from the reaction mixture, the nanoparticles can be resuspended at the desired concentration in a solvent or mixture of solvents to provide an ink. Preferred organic solvents include aromatics, alkanes, nitriles, ethers, ketones, esters and organic halides or mixtures thereof, with toluene, p-xylene, hexane, heptane, chloroform, methylene chloride and acetonitrile being particularly preferred. Preferred concentrations of the nanoparticles in the solvent are about 1% to about 70% by weight, more preferably about 5% to about 50% by weight, most preferably about 10% to about 40% by weight.
CZTS 나노입자 및 유기 용매외에도, 잉크는 임의로 추가로 분산제, 계면활성제, 중합체, 결합제, 가교결합제, 유화제, 소포제, 건조제, 충전제, 증량제, 증점화제, 필름 조건화제, 항산화제, 유동제, 평활성 첨가제, 및 부식 억제제, 및 그의 혼합물을 포함하나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 화학물질을 포함할 수 있다. 바람직한 첨가제는 올리고머성 또는 중합체성 결합제(들) 및 그의 혼합물 및/또는 계면활성제이다. 바람직하게는, 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 약 20중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 10중량% 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 5중량% 이하의 양으로 존재하며, 약 2중량% 이하가 가장 바람직하다. 이들 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 선형, 분지형, 빗/브러쉬형, 별형, 고도분지형 및/또는 수지상형 구성물(architecture)을 포함하여 다양한 구성물을 가질 수 있다.In addition to CZTS nanoparticles and organic solvents, the ink optionally further comprises dispersants, surfactants, polymers, binders, crosslinkers, emulsifiers, defoamers, desiccants, fillers, extenders, thickeners, film conditioners, antioxidants, glidants, smoothing additives. And one or more chemicals, including but not limited to, corrosion inhibitors, and mixtures thereof. Preferred additives are oligomeric or polymeric binder (s) and mixtures and / or surfactants thereof. Preferably, the oligomeric or polymeric binder is present in an amount of about 20% by weight or less, more preferably about 10% by weight or less, even more preferably about 5% by weight or less, and about 2% by weight or less desirable. These oligomeric or polymeric binders can have a variety of constructs, including linear, branched, comb / brushed, star, highly branched, and / or dendritic architectures.
바람직한 부류의 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 바람직하게는 약 250℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 200℃ 이하의 분해 온도를 갖는 분해가능한 결합제를 포함한다. 바람직한 부류의 분해가능한 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 폴리에테르, 폴리락타이드, 폴리카르보네이트, 폴리[3-하이드록시부티르산], 및 폴리메타크릴레이트의 동종중합체 및 공중합체를 포함한다. 더욱 바람직한 분해가능한 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 폴리(메타크릴산) 공중합체, 폴리(메타크릴산), 폴리(에틸렌 글리콜), 폴리(락트산), 폴리[3-하이드록시부티르산], 폴리(DL-락타이드/글리콜라이드), 폴리(프로필렌 카르보네이트) 및 폴리(에틸렌 카르보네이트)를 포함한다. 특히 바람직한 분해가능한 결합제는 엘바사이트(Elvacite)? 2028 결합제 및 엘바사이트? 2008 결합제(루사이트 인터내셔날, 인코포레이티드(Lucite International, Inc.))를 포함한다. 바람직하게는, 분해가능한 올리고머성 또는 중합체성 결합제는 약 50중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 20중량% 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 10중량% 이하의 양으로 존재하며, 약 5중량% 이하가 가장 바람직하다.Preferred classes of oligomeric or polymeric binders preferably include degradable binders having a decomposition temperature of about 250 ° C. or less, more preferably about 200 ° C. or less. Preferred classes of degradable oligomeric or polymeric binders include homopolymers and copolymers of polyethers, polylactides, polycarbonates, poly [3-hydroxybutyric acid], and polymethacrylates. More preferred degradable oligomeric or polymeric binders are poly (methacrylic acid) copolymers, poly (methacrylic acid), poly (ethylene glycol), poly (lactic acid), poly [3-hydroxybutyric acid], poly (DL Lactide / glycolide), poly (propylene carbonate) and poly (ethylene carbonate). Particularly preferred degradable binders include the Elvacite® 2028 binder and the Elbasite® 2008 binder (Lucite International, Inc.). Preferably, the degradable oligomeric or polymeric binder is present in an amount of about 50 wt% or less, more preferably about 20 wt% or less, even more preferably about 10 wt% or less, and about 5 wt% or less. Most preferred.
나노입자 잉크 내에 존재한다면, 계면활성제는 바람직하게는 약 10중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 5중량% 이하, 및 더욱 더 바람직하게는 약 3중량% 이하의 양으로 존재하며, 1중량% 이하가 가장 바람직하다. 많은 계면활성제가 본 목적에 적합하게 이용가능하다. 관찰되는 코팅 및 분산 질(quality) 및/또는 기판에의 목적하는 접착을 바탕으로 선택을 할 수 있다. 특정 실시 양태에서, 계면활성제는 실록시-, 플루오릴-, 알킬- 및 알카인일-치환된 계면활성제를 포함한다.이들에는 예를 들어, 바이크(Byk)? 계면활성제(바이크 케미(Byk Chemie)), 조닐(Zonyl)? 계면활성제(듀퐁(DuPont)), 트리톤(Triton)? 계면활성제(다우(Dow)), 서파이놀(Surfynol)? 계면활성제(에어 프로덕츠(Air Products)) 및 다이놀(Dynol)? 계면활성제(에어 프로덕츠)가 포함된다. 바람직한 부류의 계면활성제는 절단가능한 또는 분해가능한 계면활성제 및 끓는점이 약 250℃ 미만, 바람직하게는 약 200℃ 미만, 및 더욱 바람직하게는 약 150℃ 미만인 계면활성제를 포함한다. 바람직한 끓는점의 계면활성제는 에어 프로덕츠의 서파이놀? 61 계면활성제이다. 절단가능한 계면활성제는 추가로 문헌["Cleavable Surfactants", Hellberg et al, Journal of Surfactants and Detergents, 3 (2000) 81-91]; 및 문헌["Cleavable Surfactants", Tehrani-Bagha et al, Current Opinion in Colloid and Interface Science, 12 (2007) 81-91]과 같은 공급원에서 토의된다.If present in the nanoparticle ink, the surfactant is preferably present in an amount of about 10% by weight or less, more preferably about 5% by weight or less, and even more preferably about 3% by weight or less and 1% by weight or less. Most preferred. Many surfactants are suitably available for this purpose. Selection may be made based on the coating and dispersion quality observed and / or the desired adhesion to the substrate. In certain embodiments, the surfactants include siloxy-, fluoryl-, alkyl- and alkynyl-substituted surfactants. These include, for example, Bike? Surfactants (Byk Chemie). ), Zonyl? Surfactant (DuPont), Triton? Surfactant (Dow), Surfynol? Surfactant (Air Products) and Die Dynol? Surfactants (air products) are included. Preferred classes of surfactants include cleavable or degradable surfactants and surfactants having a boiling point below about 250 ° C., preferably below about 200 ° C., and more preferably below about 150 ° C. A preferred boiling point surfactant is Sufinol® 61 surfactant from Air Products. Cleavable surfactants are further described in “Cleavable Surfactants”, Hellberg et al, Journal of Surfactants and Detergents, 3 (2000) 81-91; And sources such as "Cleavable Surfactants", Tehrani-Bagha et al, Current Opinion in Colloid and Interface Science, 12 (2007) 81-91.
잉크는 임의로 추가로 기타 반도체 및 도판트를 포함할 수 있다. 바람직한 도판트는 2원 반도체, 원소 칼코겐, 및 나트륨이다. 잉크 내에 존재한다면, 도판트는 바람직하게는 약 10중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 5중량% 이하, 및 가장 바람직하게는 약 2중량% 이하로 존재한다.The ink may optionally further include other semiconductors and dopants. Preferred dopants are binary semiconductors, elemental chalcogens, and sodium. If present in the ink, the dopant is preferably present at about 10% or less, more preferably about 5% or less, and most preferably about 2% or less.
한 특정 실시 양태에서, 따라서, 본 발명은 케스터라이트 구조물 및/또는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 평균 최장 치수를 특징으로 하는 나노입자를 함유하는 잉크를 제공한다. 또다른 실시 양태에서, 본 발명은 구리, 주석, 아연, 하나 이상의 칼코겐(들) 및 캡핑제로 이루어진 나노입자를 포함하는 잉크를 제공한다.구리, 주석, 아연, 하나 이상의 칼코겐(들) 및 캡핑제로 이루어진 나노입자는 또한, 케스터라이트 구조물 및/또는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚의 평균 최장 치수를 특징으로 할 수 있다.In one particular embodiment, the present invention therefore provides an ink containing a castorite structure and / or nanoparticles characterized by an average longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm. In another embodiment, the present invention provides an ink comprising nanoparticles consisting of copper, tin, zinc, one or more chalcogen (s) and a capping agent. Copper, tin, zinc, one or more chalcogen (s) and Nanoparticles composed of a capping agent may also be characterized by the casterite structure and / or the average longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm.
다른 실시 양태에서, 본 발명은 또한, 다수의 나노입자의 조성물과 함께 하나 이상의 유기 용매를 함유하는 잉크를 제공하며, 여기서, 조성물 내 나노입자는 구리, 아연, 주석, 칼코겐, 및 캡핑제를 함유하고, 칼코겐은 황, 셀레늄으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 더욱 다른 실시 양태에서, 잉크 내 나노입자의 조성물, 또는 조성물 내 나노입자는 하기 특색 중 하나 이상을 특징으로 한다:In another embodiment, the present invention also provides an ink containing one or more organic solvents with a composition of a plurality of nanoparticles, wherein the nanoparticles in the composition comprise copper, zinc, tin, chalcogens, and capping agents. And the chalcogen is selected from the group consisting of sulfur and selenium. In yet another embodiment, the composition of nanoparticles in the ink, or nanoparticles in the composition, is characterized by one or more of the following features:
조성물 내 나노입자는 케스터라이트 구조물을 가짐;Nanoparticles in the composition have a casterite structure;
조성물 내 나노입자는 약 2:1:1:4인 구리 대 아연 대 주석 대 칼코겐의 몰비를 가짐;The nanoparticles in the composition have a molar ratio of copper to zinc to tin to chalcogen that is about 2: 1: 1: 4;
조성물 내 나노입자는 1 미만인 구리 대 (아연 + 주석)의 몰비를 가짐;Nanoparticles in the composition have a molar ratio of copper to (zinc + tin) that is less than 1;
조성물 내 나노입자는 1 초과인 아연 대 주석의 몰비를 가짐;The nanoparticles in the composition have a molar ratio of zinc to tin greater than 1;
나노입자는 약 1㎚ 내지 약 1000㎚인 최장 치수를 가짐;Nanoparticles have the longest dimension of about 1 nm to about 1000 nm;
조성물 내 나노입자는 전자쌍 공여기, 또는 아민, 산화포스핀, 포스핀, 티올, 아미드, 니트릴, 아이소니트릴, 시아네이트, 아이소시아네이트, 티오시아네이트, 아이소티오시아네이트, 아자이드, 티오카르보닐, 티올레이트, 설파이드, 설피네이트, 설포네이트, 포스페이트, 포스파이트, 하이드록실, 알콜레이트, 페놀레이트, 에테르, 카르보닐, 카르복실레이트, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전자쌍 공여기로 변환될 수 있는 기를 갖는 캡핑제를 함유함;The nanoparticles in the composition may be electron pair donor groups, or amines, phosphine oxides, phosphines, thiols, amides, nitriles, isonitriles, cyanates, isocyanates, thiocyanates, isothiocyanates, azides, thiocarbonyls, Can be converted to an electron-pair donor selected from the group consisting of thiolates, sulfides, sulfinates, sulfonates, phosphates, phosphites, hydroxyls, alcoholates, phenolates, ethers, carbonyls, carboxylates, and mixtures thereof. Containing a capping agent having a group present;
조성물 내 나노입자는 올레일아민인 캡핑제를 함유함;The nanoparticles in the composition contain a capping agent that is an oleylamine;
조성물은 약 10㎚ 내지 약 100㎚의 평균 최장 치수를 특징으로 하는 입자 크기 분포를 가짐;The composition has a particle size distribution characterized by an average longest dimension of about 10 nm to about 100 nm;
잉크 내 나노입자의 농도는 잉크의 총 중량을 기준으로 약 1중량% 내지 약 70중량%임;The concentration of nanoparticles in the ink is from about 1% to about 70% by weight based on the total weight of the ink;
잉크 내 유기 용매는 방향족, 알칸, 니트릴, 에테르, 케톤, 에스테르, 유기 할라이드 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨;The organic solvent in the ink is selected from the group consisting of aromatics, alkanes, nitriles, ethers, ketones, esters, organic halides and mixtures thereof;
잉크는 또한, 분산제, 계면활성제, 중합체, 결합제, 가교결합제, 유화제, 소포제, 건조제, 충전제, 증량제, 증점화제, 필름 조건화제, 항산화제, 유동제, 평활성 첨가제, 부식 억제제, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 구성분을 함유함;The inks also consist of dispersants, surfactants, polymers, binders, crosslinkers, emulsifiers, antifoams, desiccants, fillers, extenders, thickeners, film conditioners, antioxidants, glidants, leveling additives, corrosion inhibitors, and mixtures thereof. Containing a component selected from the group;
잉크는 분해가능한 결합제; 분해가능한 계면활성제; 절단가능한 계면활성제; 약 250℃ 미만의 끓는점을 갖는 계면활성제; 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 결합제 또는 계면활성제를 함유함;The ink may be a degradable binder; Degradable surfactants; Cleavable surfactants; Surfactants having a boiling point of less than about 250 ° C .; And one or more binders or surfactants selected from the group consisting of: mixtures thereof;
잉크는 폴리에테르의 동종중합체 및 공중합체; 폴리락타이드의 동종중합체 및 공중합체; 폴리카르보네이트의 동종중합체 및 공중합체; 폴리[3-하이드록시부티르산]의 동종중합체 및 공중합체; 폴리메타크릴레이트의 동종중합체 및 공중합체; 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 분해가능한 결합제를 함유함; 및/또는Inks include homopolymers and copolymers of polyethers; Homopolymers and copolymers of polylactide; Homopolymers and copolymers of polycarbonates; Homopolymers and copolymers of poly [3-hydroxybutyric acid]; Homopolymers and copolymers of polymethacrylates; And one or more degradable binders selected from the group consisting of mixtures thereof; And / or
잉크는 또한, 2원 반도체, 원소 칼코겐, 나트륨, 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 도판트를 함유함.The ink also contains a dopant selected from the group consisting of binary semiconductors, elemental chalcogens, sodium, and mixtures thereof.
상기 기재된 바와 같이, 나노입자의 조성물 또는 잉크는 기판 상의 필름 내로 형성될 수 있고, 그러한 필름은 하나 이상의 층을 가질 수 있고, 여기서, 일부 또는 모든 층은 그의 잉크 또는 조성물로부터 형성된다.필름의 층(들)이 침착 또는 배치되는 기부(base)를 형성하는 기판은 가요성 또는 강성일 수 있다. 기판은 예를 들어, 알루미늄 호일 또는 중합체로부터 제조될 수 있고, 그런 다음, 시판의 웨브 코팅 시스템을 사용하여 롤-투-롤 방식(연속 또는 분할)으로 가요성 기판으로서 사용된다. 강성 기판은 유리, 태양 유리, 저-철(low-iron) 유리, 그린(green) 유리, 소다 석회 유리, 강철, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 중합체, 세라믹, 금속판, 금속화된 세라믹판, 금속화된 중합체판, 금속화된 유리판, 및/또는 앞서언급된 것들의 임의의 단일 또는 다중 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.As described above, a composition or ink of nanoparticles may be formed into a film on a substrate, such film may have one or more layers, where some or all of the layers are formed from the ink or composition thereof. The substrate forming the base on which the (s) are to be deposited or disposed may be flexible or rigid. The substrate can be made, for example, from aluminum foil or polymer and then used as a flexible substrate in a roll-to-roll manner (continuous or split) using a commercially available web coating system. Rigid substrates include glass, solar glass, low-iron glass, green glass, soda-lime glass, steel, stainless steel, aluminum, polymers, ceramics, metal plates, metalized ceramic plates, metallized At least one material selected from the group consisting of polymer plates, metallized glass plates, and / or any single or multiple combinations of those mentioned above.
그의 조성물 또는 잉크의 필름은 습식 코팅, 분무 코팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 접촉 프린팅, 상부 피드 리버스 프린팅, 바닥 피드 리버스 프린팅, 노즐 피드 리버스 프린팅, 그라비어 프린팅, 마이크로그라비어 프린팅, 리버스 마이크로그라비어 프린팅, 코마 다이렉트 프린팅, 롤러 코팅, 슬롯 다이 코팅, 메이에르바 보팅, 립 다이렉트 코팅, 듀얼 립 다이렉트 코팅, 모세관 코팅, 잉크젯 프린팅, 젯 침착, 분무 침착 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 용액-기재 코팅 중 임의의 코팅에 의해 기판 상에서 형성될 수 있다. 필름 형성에 유용한 다른 코팅 기술은 플렉소 프린팅, 오프셋 프린팅, 스크린 프린팅, 및 열전달 프린팅을 포함한다.Films of the composition or ink thereof may be wet coated, spray coated, spin coated, doctor blade coated, contact printing, top feed reverse printing, bottom feed reverse printing, nozzle feed reverse printing, gravure printing, microgravure printing, reverse microgravure printing, Any of a variety of solution-based coatings including but not limited to coma direct printing, roller coating, slot die coating, mayerva voting, lip direct coating, dual lip direct coating, capillary coating, inkjet printing, jet deposition, spray deposition, etc. It can be formed on the substrate by the coating of. Other coating techniques useful for film formation include flexo printing, offset printing, screen printing, and heat transfer printing.
본 발명에 의해 제공되는 나노입자는 반도체 특성을 가지며, 통상의 반도체 물질과는 달리 그의 나노입자는 콜로이드 현탁액 내에서 상호작용하고 응집하려는 경향이 있다. 캡핑제의 나노입자로의 혼입은 콜로이드 현탁액을 안정화시키고 그의 분해를 방지하는 것을 돕는데 유용하다. 캡핑제의 존재는 나노입자의 상호작용 및 응집을 방지하는 것을 도울 것이고, 그리하여, 콜로이드성 성분(예를 들어, 금속 칼코겐화물 나노입자)의 균일한 분포, 분산상(disperse phase)을 분산 매질을 통틀어서 유지할 것이다. 불행하게도, 비휘발성 캡핑제가 사용되는 경우, 그리고 나노입자의 조성물 또는 잉크가 필름 내로 형성되는 경우, 비휘발성 캡핑제는 휘발하기 보다는 분해하려는 경향이 있고, 그리하여 상당한 불순물(예를 들어, 탄소)을 필름 내로 도입한다. 그러한 불순물이 필름 성능에 본질적으로 치명적이지 않더라도, 이들은 그의 전자적 특성을 저하시킨다. 비휘발성 캡핑제와는 대조적으로, 휘발성 캡핑제는 전형적으로, 불순물을 절단하고 이를 필름 내로 도입하는 대신 잉크의 침착 동안에 제거되어 필름을 형성한다.Nanoparticles provided by the present invention have semiconductor properties, and unlike conventional semiconductor materials, their nanoparticles tend to interact and aggregate in colloidal suspensions. Incorporation of the capping agent into the nanoparticles is useful to stabilize the colloidal suspension and to prevent its degradation. The presence of the capping agent will help to prevent the interaction and aggregation of the nanoparticles, thereby providing a uniform distribution of colloidal components (e.g., metal chalcogenide nanoparticles), dispersing phases, I will keep it all. Unfortunately, when a nonvolatile capping agent is used, and when a composition or ink of nanoparticles is formed into the film, the nonvolatile capping agent tends to decompose rather than volatilize, thus removing significant impurities (eg, carbon). Introduce into film. Although such impurities are not inherently fatal to film performance, they degrade their electronic properties. In contrast to nonvolatile capping agents, volatile capping agents are typically removed during deposition of the ink to form a film instead of cutting off impurities and introducing them into the film.
본 발명의 이점은 상기 기재된 바와 같은 적절한 반응 온도의 사용이 상대적으로 낮은 끓는점의 캡핑제의 혼입을 가능하게 하고, 이러한 캡핑제는 나노입자를 형성하는 반응 동안에 유지되지 않을 정도로 휘발성이지 않지만, 필름 형성 동안에 제거되기에는 충분히 휘발성이라는 점이다. 어떤 캡핑제든 나노입자 형성 동안에 사용되도록 선택되나, 추가의 과정 단계에서 더 큰 휘발성을 갖는 캡핑제로 교환될 수 있다. 예를 들어, 나노입자 합성 동안에 혼입되는 바와 같은 높은 끓는점의 비휘발성 캡핑제는 나노입자의 합성 후에 휘발성 코디네이팅 루이스 염기(coordinating Lewis base)와 같은 휘발성 캡핑제로 교환될 수 있다. 따라서, 한 실시 양태에서, 합성 동안에 혼입되는 바와 같은 비휘발성 캡핑제에 의해 안정화되는 습식 나노입자 펠렛은 휘발성 캡핑제 내에 현탁되어, 캡핑제의 교환이 발생하는 콜로이드 현탁액을 생성한다. 다음, 콜로이드 현탁액이 기판 상에 침착되는 경우, 이는 비휘발성 캡핑제를 대체하였던 휘발성 캡핑제가 필름 형성 동안에 현탁액으로부터 유리되기 때문에 실질적으로 탄소가 없는 전구체 필름을 형성한다.An advantage of the present invention is that the use of a suitable reaction temperature as described above allows the incorporation of relatively low boiling capping agents, which are not volatile enough to not be maintained during the reaction to form nanoparticles, but film formation Is sufficiently volatile to be removed during the process. Any capping agent is selected for use during nanoparticle formation, but may be exchanged for a capping agent with greater volatility in further process steps. For example, high boiling nonvolatile capping agents, such as incorporated during nanoparticle synthesis, can be exchanged with volatile capping agents such as volatile coordinating Lewis bases after synthesis of the nanoparticles. Thus, in one embodiment, wet nanoparticle pellets that are stabilized by nonvolatile capping agents as incorporated during synthesis are suspended in volatile capping agents to produce a colloidal suspension in which exchange of capping agents occurs. Next, when the colloidal suspension is deposited on the substrate, it forms a precursor film that is substantially carbon free because the volatile capping agent that replaced the nonvolatile capping agent is released from the suspension during film formation.
더욱 또다른 실시 양태에서, 캡핑제의 교환은 필름 형성 후에 영향을 받을 수 있다.비어닐링된 필름은 휘발성 캡핑제 내 조(bath)에 담겨질 수 있으며, 그런 다음, 휘발성 캡핑제는 합성된 대로의 나노입자 내로 혼입되는 비휘발성 캡핑제로 교환된다. 다음, 비휘발성 캡핑제는 필름이 조로부터 제거되는 경우 과량의 휘발성 캡핑제와 함께 제거된다. 이러한 방법의 이점은, 특히 필름이 이후에 어닐링된다면 그리고 어닐링되는 경우, 필름 내의 탄소-기재 불순물이 더 낮은 수준으로 있는 것과 함께 필름 치밀화를 포함한다. 이러한 방법의 또다른 이점은, 이것이 물의 존재에 상대적으로 민감하지 않고, 이는 콜로이드 현탁액의 불안정화, 응집 및 콜로이드 분해를 야기할 수 있다는 점이다.In yet another embodiment, the exchange of the capping agent may be effected after film formation. The annealed film may be immersed in a bath in the volatile capping agent, and then the volatile capping agent is as synthesized. Exchanged with a nonvolatile capping agent incorporated into the nanoparticles. The nonvolatile capping agent is then removed with excess volatile capping agent when the film is removed from the bath. The advantages of this method include film densification, with lower levels of carbon-based impurities in the film, especially if the film is subsequently annealed and annealed. Another advantage of this method is that it is relatively insensitive to the presence of water, which can lead to destabilization, aggregation and colloidal degradation of the colloidal suspension.
더욱 또다른 실시 양태에서, 제 1 캡핑제를 함유하는 나노입자의 반응 혼합물은 제 1 캡핑제보다 더 큰 휘발성을 갖는 제 2 캡핑제와 접촉되어 나노입자 내에서 제 1 캡핑제를 제 2 캡핑제로 교환할 수 있거나; 또는 제 1 캡핑제를 함유하는 나노입자는 반응 혼합물로부터 회수되어 나노입자를 제 1 캡핑제보다 더 큰 휘발성을 갖는 제 2 캡핑제와 접촉시켜 나노입자 내에서 제 1 캡핑제를 제 2 캡핑제로 교환할 수 있다. 더욱 또다른 실시 양태에서, 제 1 캡핑제를 함유하는 필름은 제 1 캡핑제보다 더 큰 휘발성을 갖는 제 2 캡핑제와 접촉되어 필름의 나노입자 내에서 제 1 캡핑제를 제 2 캡핑제로 교환할 수 있다. 상기 실시 양태 중 어떤 실시 양태에서, 제 2 캡핑제는 주위 압력에서 약 200℃ 미만의 끓는점을 가질 수 있다.In yet another embodiment, the reaction mixture of nanoparticles containing the first capping agent is contacted with a second capping agent having greater volatility than the first capping agent to convert the first capping agent into the second capping agent in the nanoparticles. Exchangeable; Or nanoparticles containing the first capping agent are recovered from the reaction mixture to contact the nanoparticles with a second capping agent having greater volatility than the first capping agent to exchange the first capping agent with the second capping agent in the nanoparticles. can do. In yet another embodiment, the film containing the first capping agent is contacted with a second capping agent having greater volatility than the first capping agent to exchange the first capping agent with the second capping agent in the nanoparticles of the film. Can be. In any of the above embodiments, the second capping agent can have a boiling point of less than about 200 ° C. at ambient pressure.
캡핑제는 본 발명의 맥락에서, 충분히 휘발성이라서 나노입자의 조성물 또는 잉크가 필름 내로 형성되는 경우 불순물을 분해하고 도입하는 대신에 필름 침착 동안에 점차 변한다면 휘발성인 것으로 간주된다. 본원에서 사용되기에 적합한 휘발성을 갖는 캡핑제는 주위 압력에서 약 200℃ 미만, 바람직하게는 주위 압력에서 약 150℃ 미만, 더욱 바람직하게는 주위 압력에서 약 120℃ 미만, 및 가장 바람직하게는 주위 압력에서 약 100℃ 미만인 끓는점을 갖는 것들을 포함하며, 이들 범위의 각각은 0이 아닌 값에 의해 더 낮은 말단에서 한계가 형성된다. 본원에서 사용되기에 적합한 다른 휘발성 캡핑제는 전자쌍-공여기 또는 그러한 전자쌍-공여기로 변환될 수 있는 기를 적어도 하나 함유하는 화합물을 포함한다. 전자쌍-공여기는 전기적으로 중성 또는 음성일 수 있고, 보통 O, N, P 또는 S와 같은 원자를 함유한다.전자쌍-공여기는 1차, 2차 또는 3차 아민기 또는 아미드기, 니트릴기, 아이소니트릴기, 시아네이트기, 아이소시아네이트기, 티오시아네이트기, 아이소티오시아네이트기, 아자이드기, 티오기, 티올레이트기, 설파이드기, 설피네이트기, 설포네이트기, 포스페이트기, 포스핀기, 포스파이트기, 하이드록실기, 알콜레이트기, 페놀레이트기, 에테르기, 카르보닐기 및 카르복실레이트기를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 전자쌍-공여기로 변환될 수 있는 기는 예를 들어, 카르복실산, 카르복실산 무수물 및 글리시딜기를 포함한다. 적합한 휘발성 캡핑제의 특정 실시예는 암모니아, 메틸 아민, 에틸 아민, 부틸아민, 테트라메틸에틸렌 다이아민, 아세토니트릴, 에틸 아세테이트, 부탄올, 피리딘, 에탄티올, 테트라하이드로푸란, 및 다이에틸 에테르를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 휘발성 캡핑제는 아세토니트릴, 부틸아민, 테트라메틸에틸렌 다이아민, 또는 피리딘이다.The capping agent in the context of the present invention is considered to be volatile if it is sufficiently volatile if it gradually changes during film deposition instead of decomposing and introducing impurities when the composition or ink of nanoparticles is formed into the film. Capping agents having volatility suitable for use herein are less than about 200 ° C. at ambient pressure, preferably less than about 150 ° C. at ambient pressure, more preferably less than about 120 ° C. at ambient pressure, and most preferably ambient pressure. And those with boiling points below about 100 ° C., each of these ranges being defined at the lower end by non-zero values. Other volatile capping agents suitable for use herein include compounds containing at least one group that can be converted to an electron pair-donating group or such an electron pair-donating group. The electron pair-donating group can be electrically neutral or negative and usually contains atoms such as O, N, P or S. The electron pair-donating group is a primary, secondary or tertiary amine group or an amide group, a nitrile group, an iso Nitrile group, cyanate group, isocyanate group, thiocyanate group, isothiocyanate group, azide group, thio group, thiolate group, sulfide group, sulfinate group, sulfonate group, phosphate group, phosphine group, Phosphite groups, hydroxyl groups, alcoholate groups, phenolate groups, ether groups, carbonyl groups and carboxylate groups, including but not limited to. Groups that can be converted to electron pair-donating groups include, for example, carboxylic acid, carboxylic anhydride and glycidyl groups. Specific examples of suitable volatile capping agents include ammonia, methyl amine, ethyl amine, butylamine, tetramethylethylene diamine, acetonitrile, ethyl acetate, butanol, pyridine, ethanethiol, tetrahydrofuran, and diethyl ether This is not restrictive. Preferably, the volatile capping agent is acetonitrile, butylamine, tetramethylethylene diamine, or pyridine.
용매 및 가능하게는 분산제가 전형적으로 필름 형성 동안에 발생하는 건조에 의해 본원의 조성물 또는 잉크로부터 제거되더라도, 본원에서 형성되는 바와 같은 필름은 가열에 의해 어닐링될 수 있다. 본원에서 형성된 바와 같은 필름을 가열하는 것은 전형적으로 미세입자의 상응하는 층보다 훨씬 더 낮은 온도에서 고체층을 제공하며, 이는 입자 사이에 더 큰 표면적 접촉에 의해 부분적으로 야기될 수 있다. 임의의 경우, 본원에서 형성된 바와 같은 필름을 어닐링하는 적합한 온도는 약 100℃ 내지 약 1000℃, 더욱 바람직하게는 약 200℃ 내지 약 600℃, 및 더욱 더 바람직하게는 약 375℃ 내지 약 525℃의 것들을 포함하며, 이 약 375℃ 내지 약 525℃의 범위는 알루미늄 호일 또는 높은 용융점 중합체 기판 상에서 처리하기 위한 안정한 온도 범위이다. 어닐링되는 필름은 하기 과정 중 적어도 하나를 사용하여 열처리 기술을 통해 가열 및/또는 가속화될 수 있다: 펄스드 열처리(pulsed thermal processing), 레이저 빔에의 노출, 또는 IR 램프를 통한 가열 및/또는 유사하거나 관련있는 과정. 급속 열처리에 적합한 다른 디바이스는 또한, 어닐링을 위한 단열 방식에서 사용되는 펄스드 레이저, 연속 웨이브 레이저(전형적으로 10W 내지 30W), 펄스드 전자빔 디바이스, 주사 전자빔 시스템 및 다른 빔 시스템, 그래파이트 플레이트 가열기, 램프 시스템, 및 스캔드 수소 플레임 시스템(scanned hydrogen flame system)을 포함한다. 비-직접적인 저밀도 시스템이 또한 사용될 수 있다. 대안적으로는, 본원에서 사용되기에 적합한 다른 가열 과정은 미국 특허 제 4,350,537 호 및 제 4,356,384 호에서 기재된 펄스드 가열 과정; 미국 특허 제 3,950,187 호, 제 4,082,958 호 및 제 4,729,962 호(상기 기재된 특허 중 각각은 모든 목적을 위해 그의 부분으로서 본원에 참조로서 삽입됨)에서 기재된 바와 같은 펄스드 전자빔 처리 및 급속 열처리를 포함한다. 상기 기재된 가열 방법은 단일로, 또는 서로의 단일 또는 다중 조합으로, 그리고 상기 또는 다른 유사한 처리 기술로 적용될 수 있다.Although the solvent and possibly dispersant are typically removed from the composition or ink herein by drying that occurs during film formation, the film as formed herein can be annealed by heating. Heating the film as formed herein typically provides a solid layer at a much lower temperature than the corresponding layer of microparticles, which may be caused in part by greater surface area contact between the particles. In any case, a suitable temperature for annealing the film as formed herein is about 100 ° C. to about 1000 ° C., more preferably about 200 ° C. to about 600 ° C., and even more preferably about 375 ° C. to about 525 ° C. And from about 375 ° C. to about 525 ° C. are stable temperature ranges for processing on aluminum foil or high melting point polymer substrates. The film to be annealed can be heated and / or accelerated through a heat treatment technique using at least one of the following procedures: pulsed thermal processing, exposure to a laser beam, or heating and / or similar through an IR lamp. Or related process. Other devices suitable for rapid heat treatment also include pulsed lasers, continuous wave lasers (typically 10 W to 30 W), pulsed electron beam devices, scanning electron beam systems and other beam systems, graphite plate heaters, lamps used in adiabatic methods for annealing. System, and a scanned hydrogen flame system. Non-direct low density systems can also be used. Alternatively, other heating procedures suitable for use herein include pulsed heating processes described in US Pat. Nos. 4,350,537 and 4,356,384; Pulsed electron beam treatment and rapid heat treatment as described in US Pat. Nos. 3,950,187, 4,082,958 and 4,729,962, each of which is incorporated herein by reference as a part thereof for all purposes. The heating methods described above may be applied singly, in a single or multiple combination with each other, and with the above or other similar processing techniques.
어닐링 온도는 특정 평탄역 온도에서 유지되지 않은 채 온도 범위 내에서 왔다갔다하도록 조정될 수 있다. 이러한 기술(본원에서 급속 열 어닐링, 또는 RTA라고 함)은 특히 알루미늄 호일과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 금속 호일 기판 상에서 광기전력 활성층(종종 "흡수제" 층이라고 함)을 형성하는데 적합하다. 이러한 기술의 상세한 사항은 미국 특허 출원 제 10/943,685 호에 기재되어 있으며, 이는 그 전체가 본원에서 모든 목적을 위해 참조로서 삽입된다.The annealing temperature can be adjusted to move back and forth within the temperature range without being maintained at a particular plateau temperature. This technique, referred to herein as rapid thermal annealing, or RTA, is particularly suitable for forming photovoltaic active layers (often referred to as "absorbent" layers) on metal foil substrates such as, but not limited to, aluminum foil. Details of this technique are described in US patent application Ser. No. 10 / 943,685, which is incorporated herein by reference in its entirety for all purposes.
어닐링된 필름은 습식 전구체 층의 밀도 및/또는 두께에 비해 증가된 밀도 및/또는 감소된 두께를 가질 수 있는데, 왜냐하면 담체 액체 및 다른 물질은 처리 동안에 제거되었기 때문이다. 한 실시 양태에서, 필름은 약 0.5마이크론 내지 약 2.5마이크론의 범위 내에서 두께를 가질 수 있다. 다른 실시 양태에서, 필름의 두께는 약 1.5마이크론 내지 약 2.25마이크론일 수 있다. 조성물 또는 잉크의 침착된 층의 처리는 함께 나노입자와 융합될 것이고, 대부분의 경우, 빈 공간을 제거하고 따라서 결과의 치밀한 필름의 두께를 감소시킬 것이다.The annealed film can have an increased density and / or reduced thickness compared to the density and / or thickness of the wet precursor layer because the carrier liquid and other materials have been removed during the treatment. In one embodiment, the film may have a thickness in the range of about 0.5 microns to about 2.5 microns. In other embodiments, the film may have a thickness of about 1.5 microns to about 2.25 microns. Treatment of the deposited layer of the composition or ink will fuse with the nanoparticles together and in most cases will remove the void space and thus reduce the thickness of the resulting dense film.
나트륨은 본원에서 제공된 바와 같은 CZTS 나노입자의 조성물 또는 잉크 내로 혼입되어 그로부터 형성되는 필름의 질을 향상시킬 수 있다. 제 1 방법에서, 기판 상에서 형성되는 바와 같은 다층 필름에서, 나트륨 함유 물질의 하나 이상의 층은 그의 나노입자로부터 형성되는 바와 같이 층의 상부 및/또는 하부에서 형성될 수 있다. 나트륨-함유 층의 형성은 스퍼터링, 증발, CBD, 전기도금, 졸-겔 기재 코팅, 분무 코팅, CVD, PVD, ALD 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 용액 코팅 및/또는 다른 기술에 의해 발생할 수 있다. 임의로, 제 2 방법에서, 나트륨은 또한, 그로부터 형성되는 필름 내 CZTS 나노입자를 도핑하는 나트륨에 의해 필름 내 층의 적층물 내로 혼입될 수 있다. 임의로, 제 3 방법에서, 나트륨은 나노입자의 잉크 자체 내로 혼입될 수 있다. 예를 들어, 잉크는 유기 또는 무기 반대 이온(예컨대 소듐 설파이드)이 있는 나트륨 화합물을 포함할 수 있으며, 여기서 잉크 내로 첨가되는(개별 화합물로서) 나트륨 화합물은 입자로서 존재하거나 용해될 것이다. 따라서, 나트륨은 나트륨 화합물(예를 들어, 분산된 입자)의 "응집물" 형태 및 "분자적으로 용해된" 형태 중 하나 또는 둘다로 존재할 수 있다.Sodium may be incorporated into a composition or ink of CZTS nanoparticles as provided herein to improve the quality of a film formed therefrom. In a first method, in a multilayer film as formed on a substrate, one or more layers of sodium containing material may be formed at the top and / or bottom of the layer as formed from its nanoparticles. Formation of the sodium-containing layer may occur by solution coating and / or other techniques, including but not limited to sputtering, evaporation, CBD, electroplating, sol-gel based coating, spray coating, CVD, PVD, ALD, and the like. . Optionally, in the second method, sodium may also be incorporated into the stack of layers in the film by sodium doping the CZTS nanoparticles in the film formed therefrom. Optionally, in a third method, sodium can be incorporated into the ink itself of the nanoparticles. For example, the ink may include sodium compounds with organic or inorganic counter ions (such as sodium sulfide), where the sodium compounds added into the ink (as individual compounds) will be present or dissolved as particles. Thus, sodium may be present in one or both of the “aggregate” form and the “molecularly dissolved” form of the sodium compound (eg dispersed particles).
3가지 상기 언급된 방법은 서로 배제적이지 않고, 각각은 단일적으로 또는 다른 것(들)과의 임의의 단일 또는 다중 조합으로 적용되어, CZTS 필름을 함유하는 적층물에 목적하는 양의 나트륨을 제공할 수 있다. 추가로, 나트륨 및/또는 나트륨-함유 화합물은 기판(예를 들어, 몰리브덴 표적 내로)에 첨가될 수 있다. 나트륨의 공급원은 제한되지 않고, 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 임의의 탈양성자화된 알코올(여기서, 양성자는 나트륨에 의해 대체됨), 임의의 탈양성자화된 유기산 또는 무기산(여기서, 양성자는 나트륨, 수산화나트륨, 소듐 아세테이트, 및 하기 산의 나트륨염에 의해 대체됨: 부탄산, 헥산산, 옥토애노산, 데칸산, 도데칸산, 테트라데칸산, 헥사데칸산 등). 다른 공급원은 소듐 플루오라이드와 같은 소듐 할라이드를 포함하고; K, Rb 또는 Cs와 같은 다른 알칼리 금속이 또한 유사한 효과를 갖는 도판트로서 사용될 수 있다.The three above mentioned methods are not mutually exclusive and each is applied singly or in any single or multiple combinations with the other (s), so that the laminate containing the CZTS film contains the desired amount of sodium. Can provide. In addition, sodium and / or sodium-containing compounds may be added to the substrate (eg, into the molybdenum target). The source of sodium is not limited and may include one or more of the following: any deprotonated alcohol, wherein the proton is replaced by sodium, any deprotonated organic acid or inorganic acid, wherein the proton Is replaced by sodium, sodium hydroxide, sodium acetate, and sodium salts of the following acids: butanoic acid, hexanoic acid, octoanoic acid, decanoic acid, dodecanoic acid, tetradecanoic acid, hexadecanoic acid, and the like. Other sources include sodium halides such as sodium fluoride; Other alkali metals such as K, Rb or Cs can also be used as dopants with similar effects.
추가로, 나트륨 물질은 Al, Ge 및 Si와 같이 밴드갭 확장 효과를 제공할 수 있는 다른 원소와 조합될 수 있다. 나트륨 외에도 이들 원소 중 하나 이상의 용도는 추가로 흡수제 층의 질을 향상시킬 수 있다. Na2S 등과 같은 나트륨 화합물의 사용은 Na 및 S 둘다를 필름에 제공하고, RTA 단계에 의해 제공되는 바와 같은 어닐링을 이용해 구동되어 비개질된 CZTS 층 또는 필름의 밴드갭과 상이한 밴드갭을 갖는 층을 제공할 수 있었다.In addition, the sodium material may be combined with other elements that may provide a bandgap expansion effect, such as Al, Ge, and Si. In addition to sodium, the use of one or more of these elements may further improve the quality of the absorbent layer. The use of sodium compounds such as Na 2 S or the like provides both Na and S to the film and is driven using annealing as provided by the RTA step to give a layer having a bandgap different from the bandgap of the unmodified CZTS layer or film. Could provide.
본 발명의 더욱 또다른 실시 양태에서, CZTS 필름은 예를 들어 칼코겐 입자 또는 2원 칼코겐화물 입자를 함유하는 분말 형태로 추가 칼코겐(extra chalcogen)의 공급원을 포함하는 기판 상에서 형성될 수 있다. 칼코겐의 추가 공급원은 칼코겐의 추가 공급원을 함유하는 분리된 층으로서 제공될 수 있거나, 칼코겐의 추가 공급원은 단일층이 기판 상에 프린팅되는 CZTS 조성물 또는 잉크에 혼입될 수 있다. 칼코겐 입자는 마이크론- 또는 아마이크론(submicron)-크기의 비산소 칼코겐(예를 들어, Se, S) 입자일 수 있고, 크기 면에서 수백 나노미터 또는 수 마이크론 미만인 최장 치수를 가질 수 있다. 칼코겐화물 입자는 마이크론- 또는 아마이크론-크기일 수 있고, IB족-2원 칼코겐화물 나노입자 예컨대 (CuS,Se) 및/또는 IIA족 비-산화물 칼코겐화물 나노입자 예컨대 Zn(Se, S) 및/또는 IVA족 2원 칼코겐화물 나노입자 예컨대 Sn(Se, S)2를 포함한다. 다른 적합한 칼코겐 입자 또는 2원 칼코겐화물 입자는 하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 것들을 포함한다: 비산소 칼코겐 입자, IB족-2원 칼코겐화물 나노입자, IIA족 비산화물 칼코겐화물 나노입자, Se 입자, S 입자, CuS 입자, CuSe 입자, ZnSe 입자, ZnS 입자, SnSe2 입자, SnS2 입자, 및 그의 혼합물.In yet another embodiment of the invention, the CZTS film may be formed on a substrate comprising a source of extra chalcogen in powder form, for example, containing chalcogen particles or binary chalcogenide particles. . Additional sources of chalcogens may be provided as separate layers containing additional sources of chalcogens, or additional sources of chalcogens may be incorporated into CZTS compositions or inks in which a single layer is printed on a substrate. Chalcogen particles may be micron- or submicron-sized non-oxygen chalcogen (eg Se, S) particles and may have a longest dimension that is less than a few hundred nanometers or several microns in size. Chalcogenide particles may be micron- or amacrone-sized, and may be group IB-2 membered chalcogenide nanoparticles such as (CuS, Se) and / or group IIA non-oxide chalcogenide nanoparticles such as Zn (Se, S) and / or Group IVA binary chalcogenide nanoparticles such as Sn (Se, S) 2 . Other suitable chalcogen particles or binary chalcogenide particles include those selected from the group consisting of: non-oxygen chalcogen particles, group IB-2 member chalcogenide nanoparticles, group IIA non-oxide chalcogenide nanoparticles , Se particles, S particles, CuS particles, CuSe particles, ZnSe particles, ZnS particles, SnSe 2 particles, SnS 2 particles, and mixtures thereof.
추가 칼코겐의 공급원을 추가하기 위해, 본원의 4차 칼코겐화물 나노입자 및 추가 칼코겐 입자의 혼합물은 기판 상에 놓이고 추가 칼코겐 입자를 용융시켜 액체 칼코겐을 형성하기에 충분한 온도로 가열된다. 액체 칼코겐 및 4차 나노입자는 액체 칼코겐을 나노입자와 반응시켜 생성 필름에서 임의의 칼코겐 부족을 보정하고 층을 치밀화하기에 충분한 온도로 가열된다. 다음, 필름은 냉각된다.To add a source of additional chalcogens, a mixture of the quaternary chalcogenide nanoparticles and additional chalcogen particles herein is placed on a substrate and heated to a temperature sufficient to melt the additional chalcogen particles to form liquid chalcogens. do. Liquid chalcogens and quaternary nanoparticles are heated to a temperature sufficient to react liquid chalcogens with nanoparticles to compensate for any chalcogen deficiency in the resulting film and densify the layer. Next, the film is cooled.
일부 실시 양태에서, 칼코겐 입자 또는 2원 칼코겐화물 입자의 층은 CZTS 필름의 하부에서 형성될 수 있다. 층의 이러한 위치는 여전히, 칼코겐 입자가 충분한 과잉의 칼코겐 또는 다른 부족 원소를 CZTS 층에 제공하고, 따라서 본원의 화학양론의 4차 입자를 완전히 반응하고 보정하게 한다. 추가로, 하부층으로부터 방출되는 칼코겐이 CZTS 필름을 통해 증가할 수 있기 때문에, 층의 이러한 위치는 원소들 간에 더 큰 상호혼합을 발생하기에 유리할 수 있다. 칼코겐이 풍부한 층의 두께는 약 0.4마이크론 내지 0.5마이크론의 범위 내에 있을 수 있다. 더욱 또다른 실시 양태에서, 칼코겐이 풍부한 층의 두께는 약 500㎚ 내지 50㎚이다. 그의 더욱 다른 실시 양태에서, 물질의 다중층은 프린팅되고 칼코겐과 반응하여, 다음 층의 침착 전에 범위를 상이하게 할 수 있고, 이러한 방식으로 등급이 매겨진 조성물 함량은 다층 필름을 제조하는 층의 기에 걸쳐 제공될 수 있다.In some embodiments, a layer of chalcogen particles or binary chalcogenide particles may be formed at the bottom of the CZTS film. This position of the layer still allows the chalcogen particles to provide sufficient excess chalcogen or other deficient element to the CZTS layer, thus fully reacting and correcting the stoichiometric quaternary particles herein. In addition, since the chalcogen released from the underlying layer can increase through the CZTS film, this location of the layer can be advantageous to generate greater intermixing between the elements. The thickness of the chalcogen-rich layer may be in the range of about 0.4 microns to 0.5 microns. In yet another embodiment, the thickness of the chalcogen-rich layer is about 500 nm to 50 nm. In yet another embodiment thereof, multiple layers of material can be printed and reacted with chalcogen to vary ranges prior to deposition of the next layer, in which the graded composition content is added to the groups of layers that make up the multilayer film. Can be provided over.
2원 칼코겐화물 입자는 2원 칼코겐화물 원료 물질, 예를 들어 마이크론 크기 또는 그 이상의 입자로부터 출발하여 수득될 수 있다. 2원 칼코겐화물 원료는 목적하는 크기의 입자를 제조하기 위해 볼밀(ball milled)될 수 있다. 2원 합금 칼코겐화물 입자는 대안적으로는, 고온건식야금(pyrometallurgy)에 의해, 또는 원소 성분을 용융시키고 용융물을 분무하여 나노입자로 고체화되는 소적을 형성함으로써 형성될 수 있다.Binary chalcogenide particles can be obtained starting from binary chalcogenide raw materials, for example particles of micron size or larger. Binary chalcogenide raw materials can be ball milled to produce particles of the desired size. Binary alloy chalcogenide particles may alternatively be formed by pyrometallurgy, or by melting elemental components and spraying the melt to form droplets that solidify into nanoparticles.
칼코겐 입자는 2원 칼코겐화물 나노입자 및 4차 칼코겐화물 나노입자보다 더 클 수 있는데, 왜냐하면 칼코겐 입자는 2원 및 4차 나노입자 전에 용융되고 물질과 양호한 접촉을 제공하기 때문이다. 바람직하게는, 칼코겐 입자는 형성되는 칼코겐화물 필름의 두께보다 더 작다. 칼코겐 입자(예를 들어, Se 또는 S)는 여러 상이한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, Se 또는 S 입자는 시판의 미세 메쉬 분말(예를 들어, 200메쉬/75마이크론)로 출발하고 분말을 볼밀링하여 바람직한 크기로 형성될 수 있다. Se 또는 S 입자는 대안적으로는 증발-응축 방법을 사용해 형성될 수 있다. 대안적으로는, Se 또는 S 원료는 용융 및 분무("미립자화")되어 나노입자로 고체화되는 소적을 형성할 수 있다.Chalcogen particles may be larger than binary chalcogenide nanoparticles and quaternary chalcogenide nanoparticles because the chalcogen particles melt before the binary and quaternary nanoparticles and provide good contact with the material. Preferably, the chalcogen particles are smaller than the thickness of the chalcogenide film formed. Chalcogen particles (eg, Se or S) can be formed in many different ways. For example, Se or S particles can be formed into commercially fine mesh powders (eg, 200 mesh / 75 microns) and ball milled to form the desired size. Se or S particles may alternatively be formed using an evaporation-condensation method. Alternatively, the Se or S raw material may be melted and sprayed (“particulate”) to form droplets that solidify into nanoparticles.
칼코겐 입자는 또한, 문헌[Wang and Xia in Nano Letters, 2004 Vol. 4, No. 10, 2047-2050 ("Bottom-Up and Top-Down Approaches to Synthesis of Monodispersed Spherical Colloids of Low Melting-Point Metals")]에서 기재된 바와 같은 "상부-하향(Top-Down)" 방법과 같은 용액-기재 기술을 사용해 형성될 수 있다. 이 기술은 단분산 구형 콜로이드로서 400℃ 미만의 용융점을 갖는 원소의 처리를 허용하며, 직경은 100㎚ 내지 600㎚로 조절가능하고 많은 양으로 존재한다. 이 기술에 있어서, 칼코겐(Se 또는 S) 분말은 다이(에틸렌 글리콜)과 같은 끓는점 유기 용매에 직접 첨가되고 용융되어 큰 소적을 생성한다. 반응 혼합물이 격렬히 교반되고 따라서 20분 동안 에멀젼화된 후, 뜨거운 혼합물이 차가운 유기 용매 조(예를 들어, 에탄올) 내에 부어져서 칼코겐(Se 또는 S) 소적을 고체화함에 따라 금속의 균일한 구형 콜로이드가 수득된다.Chalcogen particles are also described in Wang and Xia in Nano Letters, 2004 Vol. 4, No. 10, 2047-2050 ("Bottom-Up and Top-Down Approaches to Synthesis of Monodispersed Spherical Colloids of Low Melting-Point Metals"), such as the "top-down" method as described. It can be formed using technology. This technique allows the treatment of elements with melting points below 400 ° C. as monodisperse spherical colloids, the diameter being adjustable from 100 nm to 600 nm and present in large amounts. In this technique, chalcogen (Se or S) powder is added directly to a boiling point organic solvent such as di (ethylene glycol) and melted to produce large droplets. After the reaction mixture is vigorously stirred and therefore emulsified for 20 minutes, a homogeneous spherical colloid of metal as the hot mixture is poured into a cold organic solvent bath (e.g. ethanol) to solidify the chalcogen (Se or S) droplets. Is obtained.
그의 더욱 또다른 실시 양태에서, 전자 디바이스는 필름으로부터 제작될 수 있고 다중층을 포함하고; 제 1 층은 상기 기재된 바와 같은 다수의 나노입자를 함유할 수 있고, 제 2 층은 2원 반도체, 칼코겐 공급원, 나트륨-함유 물질, 또는 그의 혼합물을 함유할 수 있다. 그러한 디바이스에서, 제 1 층은 제 2 층에 인접해 있을 수 있다.In yet another embodiment thereof, the electronic device can be fabricated from a film and include multiple layers; The first layer may contain a plurality of nanoparticles as described above and the second layer may contain binary semiconductors, chalcogen sources, sodium-containing materials, or mixtures thereof. In such a device, the first layer may be adjacent to the second layer.
상기 기재된 바와 같은 기판 상에서 제작되는 필름은 예를 들어, 광기전력 디바이스, 모듈, 또는 태양 패널에서 흡수제 층으로서 작용하도록 전자 디바이스 내로 혼입될 수 있다. 전형적인 태양 전지는 투명 기판(예컨대 소다 석회 유리), 후면 접촉층(예를 들어, 몰리브덴), 흡수제 층(또한 제 1 반도체 층이라고 함), 완충제 층(예를 들어, CdS; 또한 제 2 반도체 층이라고 함), 및 상부 전기 접점을 포함한다. 태양 전지는 또한, 상부 접촉층 상에 전기 접점 또는 전극 패드를 포함할 수 있고, 반도체 물질 내로의 빛의 초기 투과를 증진시키기 위해 기판의 앞 표면 상에 항굴절(AR) 코팅물을 포함할 수 있다. 도 3은 하기 원소를 함유하는 본원에서 보여진 적층물에서 상기 특색을 예시한다: 투명 기판(1); 후면 접촉층(2); 흡수제 층(3)(본원의 p-형 CZTS/Se 나노입자로부터 형성됨); 완충제 층(4); 상부 접촉층(5)[예를 들어, 알루미늄으로 도핑된 산화아연과 같은 투명 전도성 산화물("TCO")일 수 있음]; 및 상부 접촉층 상의 전기 접점 또는 전극 패드(6).Films fabricated on substrates as described above can be incorporated into electronic devices to act as absorbent layers, for example, in photovoltaic devices, modules, or solar panels. Typical solar cells include a transparent substrate (eg soda lime glass), a back contact layer (eg molybdenum), an absorber layer (also called a first semiconductor layer), a buffer layer (eg CdS; also a second semiconductor layer). ), And an upper electrical contact. The solar cell may also include electrical contacts or electrode pads on the top contact layer, and may include an anti-refractive (AR) coating on the front surface of the substrate to promote initial transmission of light into the semiconductor material. have. 3 illustrates this feature in the laminate shown herein containing the following elements: a
기판은 예를 들어, 금속 호일, 예컨대 티타늄, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 몰리브덴, 또는 플라스틱 또는 중합체, 예컨대 폴리이미드(PI), 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에스테르(PET), 또는 금속화된 플라스틱으로 제조될 수 있다. 기부 전극은 Al 호일층과 같은 전기적 전도성 물질로, 예를 들어, 약 10마이크론 내지 약 100마이크론 두께로 제조될 수 있다. 임의의 계면층은 전극이 기판에 결합하는 것을 용이하게 할 수 있다. 접착은 크롬, 바나듐, 텅스텐 및 유리, 또는 질화물, 산화물 및/또는 카바이드와 같은 화합물을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 물질로 이루어질 수 있다. CZTS 흡수제 층은 어닐링 후 약 0.5마이크론 내지 약 5마이크론 두께일 수 있고, 더욱 바람직하게는 어닐링 후 약 0.5마이크론 내지 약 2마이크론 두께일 수 있다.The substrate may be, for example, a metal foil such as titanium, aluminum, stainless steel, molybdenum, or a plastic or polymer such as polyimide (PI), polyamide, polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), poly It may be made of etherimide (PEI), polyethylene naphthalate (PEN), polyester (PET), or metalized plastic. The base electrode may be made of an electrically conductive material, such as an Al foil layer, for example from about 10 microns to about 100 microns thick. Any interfacial layer can facilitate the bonding of the electrode to the substrate. Adhesion may be made of various materials, including but not limited to chromium, vanadium, tungsten and glass, or compounds such as nitrides, oxides and / or carbides. The CZTS absorbent layer may be about 0.5 microns to about 5 microns thick after annealing, and more preferably about 0.5 microns to about 2 microns thick after annealing.
n-형 반도체 박막(종종 접합부 파트너 층이라고도 함)은 예를 들어, 무기 물질 예컨대 카드뮴 설파이드(CdS), 아연 설파이드(ZnS), 아연 수산화물, 아연 셀레나이드(ZnSe), n-형 유기 물질, 또는 이들 또는 유사한 물질의 2개 이상의 일부 조합물, 또는 유기 물질 예컨대 n-형 중합체 및/또는 소분자를 포함할 수 있다. 이들 물질의 층은 예를 들어, 화학 조 침착(CBD) 및/또는 화학 표면 침착(및/또는 관련 방법)에 의해 약 2㎚ 내지 약 1000㎚, 더욱 바람직하게는 약 5㎚ 내지 약 500㎚, 및 가장 바람직하게는 약 10㎚ 내지 약 300㎚ 범위의 두께로 침착될 수 있다. 이는 또한, 연속 롤-투-롤 및/또는 분할 롤-투-롤 및/또는 배치 방식 시스템에서 사용하도록 배치될 수 있다.N-type semiconductor thin films (sometimes referred to as junction partner layers) are, for example, inorganic materials such as cadmium sulfide (CdS), zinc sulfide (ZnS), zinc hydroxide, zinc selenide (ZnSe), n-type organic materials, or Some combinations of two or more of these or similar materials, or organic materials such as n-type polymers and / or small molecules. The layers of these materials may be, for example, from about 2 nm to about 1000 nm, more preferably from about 5 nm to about 500 nm, by chemical vapor deposition (CBD) and / or chemical surface deposition (and / or related methods), And most preferably at a thickness ranging from about 10 nm to about 300 nm. It may also be arranged for use in continuous roll-to-roll and / or split roll-to-roll and / or batch systems.
투명 전극은 산화아연(ZnO), 알루미늄 도핑된 산화아연(ZnO:Al), 인듐 주석 산화물(ITO), 또는 카드뮴 주석산염과 같은 투명 전도성 산화물 층을 포함할 수 있고, 이 중 임의의 것은 스퍼터링, 증발, CBD, 전기도금, CVD, PVD, ALD 등을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 수단 중 임의의 수단을 사용해 침착될 수 있다.The transparent electrode may comprise a transparent conductive oxide layer such as zinc oxide (ZnO), aluminum doped zinc oxide (ZnO: Al), indium tin oxide (ITO), or cadmium stannate, any of which may be sputtered, And may be deposited using any of a variety of means including but not limited to evaporation, CBD, electroplating, CVD, PVD, ALD and the like.
대안적으로, 투명 전극은 스핀, 딥, 또는 분무 코팅 등을 사용해 침착될 수 있는 도핑된 PEDOT (폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜)의 투명층과 같은 투명 전도성 중합체성 층을 포함할 수 있다. PSS:PEDOT는 다이에테르에 의해 가교된 헤테로사이클릭 티오펜 고리를 기재로 한 도핑된 전도성 중합체이다.폴리(스티렌설포네이트)(PSS)로 도핑된 PEDOT의 물 분산은 문헌[H. C. Starck of Newton, Mass. under the trade name of Baytron? P]로부터 이용가능하다. 투명 전극은 추가로 전체 시트 저항을 감소시키기 위해 금속(예를 들어, Ni, Al 또는 Ag) 핑거의 층을 포함할 수 있다. 대안적으로는, 투명 전도체 층은 탄소 나노튜브-기재 투명 전도체를 포함할 수 있다.Alternatively, the transparent electrode may comprise a transparent conductive polymeric layer, such as a transparent layer of doped PEDOT (poly-3,4-ethylenedioxythiophene), which may be deposited using spin, dip, or spray coating or the like. . PSS: PEDOT is a doped conductive polymer based on a heterocyclic thiophene ring crosslinked by a diether. The water dispersion of PEDOT doped with poly (styrenesulfonate) (PSS) is described in H. C. Starck of Newton, Mass. under the trade name of Baytron® P]. The transparent electrode may further comprise a layer of metal (eg Ni, Al or Ag) fingers to reduce the overall sheet resistance. Alternatively, the transparent conductor layer can include carbon nanotube-based transparent conductors.
본 발명의 특정 실시 양태의 조작 및 효과는 하기 기재되는 바와 같은 일련의 실시예로부터 더욱 완전히 이해될 수 있다. 이들 실시예가 기반을 두는 실시 양태는 단지 대표적인 것이고, 본 발명을 예시하기 위해 이들 실시 양태를 선택하는 것은 실시예에 기재되지 않은 물질, 성분, 반응물, 배치, 디자인, 조건, 규격, 단계, 기술이 본원에 사용하기에 적합하지 않거나, 실시예에서 기재되지 않은 주제가 첨부된 청구항 및 그의 등가물의 범주로부터 배제됨을 나타내지는 않는다.The manipulations and effects of certain embodiments of the present invention can be more fully understood from the series of examples as described below. The embodiments on which these examples are based are merely representative, and the selection of these embodiments to illustrate the invention is based on the materials, components, reactants, batches, designs, conditions, specifications, steps, techniques not described in the examples. It is not intended that the subject matter not suitable for use herein or described in the examples be excluded from the scope of the appended claims and their equivalents.
실시예Example
물질matter
구리 아염화물, Cu(I)Cl 99.99%; 염화아연, ZnCl2 99.99%; 염화 제1주석, SnCl2 99.99%, 원소 황, 원소 셀레늄, 티오우레아, 톨루엔, p-자일렌, 아세토니트릴 및 클로로포름은 모두 알드리치(Aldrich)로부터 구매하였고 추가의 정제 없이 사용하였다. 올레일아민(70% 공업용 등급)은 플루카(Fluka)로부터 구매하였고 0.45㎛ 필터(와트만 GE(Whatman GE))를 통해 여과하였다. 엘바사이트? 2028 및 엘바사이트? 2008은 루사이트 인터내셔날, 인코포레이티드(미국, 테네시주, 코르도바(Cordova, TN))로부터 수득하였다.Copper chlorite, Cu (I) Cl 99.99%; Zinc chloride, ZnCl 2 99.99%; Stannous chloride, 99.99% SnCl 2 , elemental sulfur, elemental selenium, thiourea, toluene, p-xylene, acetonitrile and chloroform were all purchased from Aldrich and used without further purification. Oleylamine (70% industrial grade) was purchased from Fluka and filtered through a 0.45 μm filter (Whatman GE). Elbasite® 2028 and Elbasite® 2008 were obtained from Lusite International, Inc. (Cordova, TN, Tennessee, USA).
태양 전지의 제조를 위한 일반적인 절차General procedure for the manufacture of solar cells
Mo-스퍼터링된 기판. 태양 전지에 대한 기판은 덴톤 스퍼터링 시스템(Denton Sputtering System)을 사용하여 패턴화된 몰리브덴의 500㎚ 층으로 소다 석회 유리 기판을 코팅함으로써 제조하였다. 침착 조건은 150와트의 DC 전력, 20sccm Ar, 및 0.67Pa(5mT) 압력이었다.Mo-sputtered substrate. Substrates for solar cells were made by coating a soda lime glass substrate with a 500 nm layer of patterned molybdenum using a Denton Sputtering System. The deposition conditions were 150 watts DC power, 20 sccm Ar, and 0.67 Pa (5 mT) pressure.
카드뮴 설파이드 침착.Cadmium sulfide deposition.
CdS 조(bath)를 위한 전구체 용액은 표 1에 따라 제조하였고, 코팅될 기판이 완전히 잠길 정도의 제조된 기판을 함유하는 반응 용기 내에서 실온에서 조합하였다. 전구체 용액의 혼합 직후, 혼합된 성분을 함유하는 용기를 온수(water-heated) 용기(65℃)(큰 결정화 접시(large crystallization dish))에 놓았다. CdS를 17.5분 동안 표본 상에 침착시켰다. 표본을 1시간 동안 탈이온수에서 세정하고, 200℃에서 15분 동안 건조시켰다.Precursor solutions for CdS baths were prepared according to Table 1 and combined at room temperature in a reaction vessel containing the prepared substrates such that the substrates to be coated were completely submerged. Immediately after mixing the precursor solution, the vessel containing the mixed components was placed in a water-heated vessel (65 ° C.) (large crystallization dish). CdS was deposited on the sample for 17.5 minutes. Samples were washed in deionized water for 1 hour and dried at 200 ° C. for 15 minutes.
투명 전도체 침착.Transparent conductor deposition.
투명 전도체를 하기 구조물로 CdS의 상부 상에 스퍼터링하였다: 2% Al2O3, 98% ZnO 표적(75W RF, 0.13Pa(10mTorr), 20sccm)을 사용하여 500㎚의 Al-도핑된 ZnO 및 50㎚의 절연성 ZnO(150W RF, 0.67Pa(5mTorr), 20sccm).Transparent conductors were sputtered on top of CdS with the following structures: 500 nm Al-doped ZnO and 50 using 2% Al 2 O 3 , 98% ZnO target (75 W RF, 0.13 Pa (10 mTorr), 20 sccm) Nm ZnO (150 W RF, 0.67 Pa (5 mTorr), 20 sccm).
실시예 1Example 1
30℃ 반응 온도로 전구체의 연속적 첨가를 이용한 구리 아연 주석 황 나노입자의 합성Synthesis of Copper Zinc Tin Sulfur Nanoparticles Using Continuous Addition of Precursor at 30 ° C Reaction Temperature
하기 절차에서, 모든 금속염 및 원소 황을 100℃에서 올레일아민 내에 용해시켰다: 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 80 ㎎(0.586mmol)의 염화아연의 용액 및 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 102 ㎎(0.587mmol)의 염화 제2주석의 용액을 이미 탈기되고 Ar 분위기 하에 110℃로 가열된 플라스크 내에서 교반하면서 혼합하였다. 교반 5분 후, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 77 ㎎(0.777mmol)의 구리 아염화물의 용액을 반응 혼합물에 첨가하였고, 생성 용액을 추가의 5분 동안 교반하였다. 이 시점에서, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 163 ㎎(5.08mmol)의 황의 용액을 시스템에 첨가하였고, 반응 온도를 10℃/분의 속도로 230℃로 상승시켰다.In the following procedure, all metal salts and elemental sulfur were dissolved in oleylamine at 100 ° C .: 80 mg (0.586 mmol) solution of zinc chloride dissolved in 10 ml oleylamine and dissolved in 10 ml oleylamine. A solution of 102 mg (0.587 mmol) of ditin chloride was mixed with stirring in a flask already degassed and heated to 110 ° C. under Ar atmosphere. After 5 minutes of stirring, a solution of 77 mg (0.777 mmol) of copper chlorite dissolved in 10 ml of oleylamine was added to the reaction mixture, and the resulting solution was stirred for an additional 5 minutes. At this point, a solution of 163 mg (5.08 mmol) of sulfur dissolved in 10 ml of oleylamine was added to the system and the reaction temperature was raised to 230 ° C. at a rate of 10 ° C./min.
230℃에 도달한 후, 시스템을 이 온도에서 10분 동안 유지시킨 다음, 가열을 중지하였다. 냉각되면서 가열 블록이 제자리에 남아 있도록 하면서 반응이 교반되면서 자연스럽게 냉각되게 하였다. 냉각 후, 80㎖의 에탄올을 반응 혼합물에 첨가하였다. 입자를 원심분리에 의해 수합하였고, 용매를 디캔팅하였다. 케스터라이트 구조물의 존재는 XRD에 의해 측정하였고, Cu:Zn:Sn:S의 비는 ICP를 통해 측정하였다(표 2 참조). 입자 크기는 DLS, TEM(도 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 참조) 및 AFM을 사용해 측정하였다. 입자 크기의 범위는 1㎚ 내지 10㎚이었다.After reaching 230 ° C., the system was held at this temperature for 10 minutes and then the heating was stopped. The reaction was allowed to cool naturally with stirring while allowing the heating block to remain in place while cooling. After cooling, 80 ml of ethanol were added to the reaction mixture. The particles were collected by centrifugation and the solvent was decanted. The presence of the casterite structure was measured by XRD and the ratio of Cu: Zn: Sn: S was measured via ICP (see Table 2). Particle size was measured using DLS, TEM (see FIGS. 1-1, 1-2, 1-3, 1-4) and AFM. The particle size ranged from 1 nm to 10 nm.
실시예 2Example 2
160℃ 반응 온도로 전구체의 연속적 첨가를 이용한 구리 아연 주석 황 나노입자의 합성Synthesis of Copper Zinc Tin Sulfur Nanoparticles Using Continuous Addition of Precursor at 160 ° C Reaction Temperature
하기 절차에서, 모든 금속염 및 원소 황은 100℃에서 올레일아민 내에 용해시켰다: 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 80 ㎎(0.586mmol)의 염화아연의 용액 및 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 102 ㎎(0.587mmol)의 염화 제2주석의 용액을 이미 탈기되고 Ar 분위기 하에 160℃로 가열된 플라스크 내에서 교반하면서 혼합하였다. 교반 5분 후, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 77 ㎎(0.777mmol)의 구리 아염화물의 용액을 첨가하였고, 3가지 성분을 추가의 5분 동안 교반하였다. 이 시점에서, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 163 ㎎(5.08mmol)의 원소 황의 용액을 시스템에 첨가하였고, 한편, 반응 온도를 추가의 10분 동안 160℃에서 유지시켰다. 다음, 가열을 중지시켰고, 냉각되면서 가열 블록이 제자리에 남아 있도록 하면서 반응이 교반 하에 자연스럽게 냉각되게 하였다. 냉각 시, 헥산 및 에탄올의 1:1 혼합물의 40㎖을 반응 혼합물에 첨가하였다. 입자를 원심분리를 통해 수합하였고, 용매를 디캔팅하였다. 케스터라이트 구조물의 존재는 XRD에 의해 측정하였고, Cu:Zn:Sn:S의 비는 EDX를 통해 측정하였다(표 2 참조). 입자 크기를 DLS, TEM(도 2) 및 AFM을 사용해 측정하였다. 입자 크기의 범위는 10㎚ 내지 50㎚였다.In the following procedure, all metal salts and elemental sulfur were dissolved in oleylamine at 100 ° C .: a solution of 80 mg (0.586 mmol) of zinc chloride dissolved in 10 ml of oleylamine and 102 dissolved in 10 ml of oleylamine A solution of mg (0.587 mmol) of ditin chloride was mixed with stirring in a flask already degassed and heated to 160 ° C. under Ar atmosphere. After 5 minutes of stirring, a solution of 77 mg (0.777 mmol) of copper chlorite dissolved in 10 ml of oleylamine was added and the three components were stirred for an additional 5 minutes. At this point, a solution of 163 mg (5.08 mmol) of elemental sulfur dissolved in 10 ml of oleylamine was added to the system, while the reaction temperature was maintained at 160 ° C. for an additional 10 minutes. The heating was then stopped and the reaction allowed to cool naturally under stirring while allowing the heating block to remain in place while cooling. Upon cooling, 40 ml of a 1: 1 mixture of hexane and ethanol were added to the reaction mixture. The particles were collected via centrifugation and the solvent was decanted. The presence of the casterite structure was measured by XRD and the ratio of Cu: Zn: Sn: S was measured via EDX (see Table 2). Particle size was measured using DLS, TEM (FIG. 2) and AFM. The particle size ranged from 10 nm to 50 nm.
실시예 3Example 3
전구체의 연속적 첨가를 이용한 구리 아연 주석 셀레늄 나노입자의 합성Synthesis of Copper Zinc Tin Selenium Nanoparticles Using Continuous Addition of Precursors
하기 절차에서, 모든 금속염 및 원소 셀레늄을 100℃에서 올레일아민 내에서 용해시켰다: 실시예 1의 절차 후에 원소 황을 원소 셀레늄 401 ㎎(5.08mmol)으로 대체하였다. 케스터라이트 구조물의 존재는 XRD에 의해 측정하였다.In the following procedure, all metal salts and elemental selenium were dissolved in oleylamine at 100 ° C .: Elemental sulfur was replaced with elemental selenium 401 mg (5.08 mmol) after the procedure of Example 1. The presence of the casterite structure was measured by XRD.
실시예Example 4 4
전구체의 동시 첨가를 이용한 구리 아연 주석 황 나노입자의 합성Synthesis of Copper Zinc Tin Sulfur Nanoparticles Using Simultaneous Addition of Precursors
하기 절차에서, 모든 금속염 및 원소 황을 100℃에서 올레일아민 내에 용해시켰다: 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 80 ㎎(0.586mmol)의 염화아연의 용액, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 102 ㎎(0.587mmol)의 염화 제2주석의 용액, 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 77 ㎎(0.777mmol)의 구리 아염화물의 용액, 및 10㎖의 올레일아민 내에 용해된 163 ㎎(5.08mmol)의 원소 황의 용액을 동시에 혼합하였고, 반응 온도를 10℃/분의 속도로 230℃로 상승시켰다. 230℃에 도달한 후, 시스템을 이 온도에서 10분 동안 유지시킨 다음, 가열을 중지하였다. 냉각되면서 가열 블록이 제자리에 남아 있도록 하면서 반응이 교반되면서 자연스럽게 냉각되게 하였다. 냉각 후, 80㎖의 에탄올을 혼합물에 첨가하였다. 입자를 원심분리에 의해 수합하였고 용매를 디캔팅하였다. 입자 크기의 범위는 10㎚ 내지 50㎚였고, 조성물은 CZTS 내에서 1:2의 Zn:Sn 비를 나타내었다. 케스터라이트 구조물의 존재를 XRD에 의해 측정하였고, Cu:Zn:Sn:S의 비는 EDX를 통해 측정하였다(표 2 참조). 입자 크기를 DLS, TEM 및 AFM을 사용해 측정하였다. 유사한 XRD 패턴을 유지하면서, 상이한 조성물을 수득하였다.In the following procedure, all metal salts and elemental sulfur were dissolved in oleylamine at 100 ° C .: 80 mg (0.586 mmol) solution of zinc chloride dissolved in 10 ml oleylamine, dissolved in 10 ml oleylamine 102 mg (0.587 mmol) solution of ditin tin chloride, 77 mg (0.777 mmol) solution of copper chlorite dissolved in 10 ml oleylamine, and 163 mg (5.08) dissolved in 10 ml oleylamine A solution of elemental sulfur) was simultaneously mixed and the reaction temperature was raised to 230 ° C. at a rate of 10 ° C./min. After reaching 230 ° C., the system was held at this temperature for 10 minutes and then the heating was stopped. The reaction was allowed to cool naturally with stirring while allowing the heating block to remain in place while cooling. After cooling, 80 ml of ethanol were added to the mixture. The particles were collected by centrifugation and the solvent was decanted. The particle size ranged from 10 nm to 50 nm and the composition exhibited a Zn: Sn ratio of 1: 2 in CZTS. The presence of the casterite structure was measured by XRD and the ratio of Cu: Zn: Sn: S was measured via EDX (see Table 2). Particle size was measured using DLS, TEM and AFM. Different compositions were obtained while maintaining similar XRD patterns.
비교예Comparative example 5 5
황 공급원으로서 티오우레아를 사용한 나노입자 합성Nanoparticle Synthesis Using Thiourea as Sulfur Source
0.1g의 구리 아염화물(1mmol의 Cu), 0.068g의 염화아연(0.5mmol의 Zn), 0.094g의 아연 제2주석(0.5mmol의 Sn), 및 10㎖의 올레일아민의 혼합물을 격렬히 교반하고, 쉬렝크 라인을 이용해 진공을 끌어당김으로써 60℃에서 30분 동안 쉬렝크 플라스크 내에서 탈기시켰다. 다음, 혼합물을 질소 하에 10분 동안 130℃로 가열한다. 가열 동안, 용액은 청색에서 황색으로 변하고, 이는 Cu, Zn 및 Sn의 올레일아민 착체의 형성을 나타낸다. 한편, 티오우레아 용액은 쉬렝크 플라스크 내에서 질소 하에 200℃에서 1㎖의 올레일아민 내에 0.076g의 티오우레아(1.0mmol)를 용해함으로써 제조된다. Zn/Sn/Cu/올레일아민 반응물 용액을 100℃로 냉각시키고, 티오우레아 반응물 용액을 캐뉼라를 통해 첨가한다. 주입 직후, 반응 혼합물을 15℃/분의 속도로 240℃로 가열한다. 1시간 후, 나노결정을 함유하는 쉬렝크 플라스크를 가열 맨틀로부터 제거하고, 실온으로 냉각되게 놔둔다. 다음, 에탄올(30㎖)을 첨가하여 나노결정을 침전시키고, 이어서 7000rpm에서 3분 동안 원심분리한다. 상청액을 나노결정에서 디캔팅하고 버린다. 나노결정을 클로로포름, 헥산, 및 톨루엔을 포함하여 다양한 비극성 유기 용매 내에서 재분산시킨다. 특징화 전에, 분산액을 전형적으로 7000rpm에서 5분 동안 다시 원심분리하여 부적절하게 캡핑된 나노결정을 제거한다. 표본을 XRD 및 EDAX를 통해 특징화하였다(표 2 참조). XRD 결과는 SnS, ZnS, Cu2S의 존재를 드러낸다. EDAX에 의해 검출되는 소량의 Zn은, 다른 유형의 칼코겐화물-함유 물질을 합성하는데 사용되는 이러한 과정이 CZTS 합성에 대해 추정될 수는 없음을 반영한다.Stir vigorously a mixture of 0.1 g copper chlorite (1 mmol Cu), 0.068 g zinc chloride (0.5 mmol Zn), 0.094 g zinc ditin (0.5 mmol Sn), and 10 ml oleylamine And degassed in a Schlenk flask for 30 minutes at 60 ° C. by drawing a vacuum using a Schlenk line. The mixture is then heated to 130 ° C. for 10 minutes under nitrogen. During heating, the solution turns from blue to yellow, indicating the formation of oleylamine complexes of Cu, Zn and Sn. On the other hand, thiourea solutions are prepared by dissolving 0.076 g of thiourea (1.0 mmol) in 1 ml of oleylamine at 200 ° C. under nitrogen in a Schlenk flask. The Zn / Sn / Cu / oleylamine reactant solution is cooled to 100 ° C. and the thiourea reactant solution is added via cannula. Immediately after injection, the reaction mixture is heated to 240 ° C. at a rate of 15 ° C./min. After 1 hour, the Schlenk flask containing the nanocrystals is removed from the heating mantle and allowed to cool to room temperature. Next, ethanol (30 mL) is added to precipitate the nanocrystals, followed by centrifugation at 7000 rpm for 3 minutes. The supernatant is decanted from the nanocrystals and discarded. Nanocrystals are redispersed in various nonpolar organic solvents, including chloroform, hexane, and toluene. Prior to characterization, the dispersion is centrifuged again, typically at 7000 rpm for 5 minutes to remove improperly capped nanocrystals. Samples were characterized via XRD and EDAX (see Table 2). XRD results reveal the presence of SnS, ZnS, Cu2S. The small amount of Zn detected by EDAX reflects that this process used to synthesize other types of chalcogenide-containing materials cannot be estimated for CZTS synthesis.
실시예 6Example 6
톨루엔에서의 CZTS 잉크의 제조Preparation of CZTS Inks in Toluene
실시예 1의 절차에 의해 제조되는 0.086g의 CZTS 나노입자를 재분산함으로써 잉크를 제조하였다. 1㎖의 톨루엔(밀도 0.8669g/㎖) 내에 초음파를 통해 입자를 분산시켜, 10중량%의 나노입자 농도를 갖는 잉크를 발생시켰다.Inks were prepared by redispersing 0.086 g of CZTS nanoparticles prepared by the procedure of Example 1. The particles were dispersed via ultrasonic waves in 1 ml of toluene (density 0.8669 g / ml) to generate an ink having a nanoparticle concentration of 10% by weight.
실시예 7Example 7
엘바사이트? 2028 결합제를 이용한 p-자일렌에서의 CZTS 잉크의 제조Preparation of CZTS Inks in p-Xylene Using Elbasite® 2028 Binder
잉크를 하기 단계에 의해 제조하였다: 우선, 실시예 1의 절차에 의해 제조된 0.172g의 CZTS 나노입자를 1㎖의 p-자일렌(밀도 0.861g/㎖) 내에서 초음파를 통해 분산시켜서 나노입자의 20중량% 현탁액을 발생시켰다. 다음, 나노입자 현탁액을 2중량%의 엘바사이트?2028 p-자일렌의 용액 1㎖와 혼합하여, 10중량% 농도의 나노입자가 있는 잉크를 발생시켰다.Ink was prepared by the following steps: First, 0.172 g of CZTS nanoparticles prepared by the procedure of Example 1 were dispersed by ultrasonication in 1 ml of p-xylene (density 0.861 g / ml) by nanoparticles. A 20 wt% suspension of was generated. Next, the nanoparticle suspension was mixed with 1 ml of a solution of 2% by weight of Elbasite® 2028 p-xylene to generate an ink with 10% by weight of nanoparticles.
실시예 8Example 8
엘바사이트? 2028 결합제를 이용한 톨루엔에서의 CZTS 잉크의 제조Preparation of CZTS Ink in Toluene Using Elbasite® 2028 Binder
잉크를 하기 단계에 의해 제조하였다: 우선, 실시예 1의 절차에 의해 제조된 0.172g의 CZTS 나노입자를 1㎖의 톨루엔(밀도 0.861g/㎖) 내에서 초음파를 통해 분산시켜, 나노입자의 20중량% 현탁액을 발생시켰다. 다음, 나노입자 현탁액을 톨루엔 내 2중량% 엘바사이트? 2028의 용액 1㎖과 혼합하여, 10중량% 밀도의 나노입자가 있는 잉크를 발생시켰다.Ink was prepared by the following steps: First, 0.172 g of CZTS nanoparticles prepared by the procedure of Example 1 were dispersed by ultrasonication in 1 ml of toluene (density 0.861 g / ml) to obtain 20 nanoparticles of nanoparticles. A weight percent suspension was generated. Next, the nanoparticle suspension is eluted at 2% by weight in toluene? Mixing with 1 ml of a solution of 2028 resulted in an ink with nanoparticles of 10% by weight density.
실시예 9Example 9
엘바사이트Elbasite ? 2008 결합제를 이용한 ? 2008 binder 아세토니트릴에서의In acetonitrile CZTSCZTS 의 제조Manufacture
잉크를 하기 단계에 의해 제조하였다: 우선, 실시예 1의 절차에 의해 제조된 0.172g의 CZTS 나노입자를 1㎖의 아세토니트릴(밀도 0.786g/㎖) 내에서 초음파에 의해 분산시켜, 나노입자의 20중량% 현탁액을 발생시켰다. 다음, 나노입자 현탁액을 아세토니트릴 내 2중량% 엘바사이트? 2008의 용액 1㎖과 혼합하여, 10중량% 농도의 나노입자가 있는 잉크를 발생시켰다.Ink was prepared by the following steps: First, 0.172 g of CZTS nanoparticles prepared by the procedure of Example 1 were dispersed by ultrasonication in 1 ml of acetonitrile (density 0.786 g / ml) to obtain nanoparticles. A 20 wt% suspension was generated. Next, the nanoparticle suspension was eluted with 2% by weight elbasite in acetonitrile? Mix with 1 ml of 2008 solution to generate ink with 10% by weight nanoparticles.
실시예 10Example 10
CZTS 나노입자 합성: 올레일아민의 부틸아민으로의 교환CZTS Nanoparticle Synthesis: Exchange of Oleylamine to Butylamine
CZTS 나노입자를 실시예 1의 절차에 따라 제조하였고, 톨루엔 내에서 재분산시켰고, 원심분리한 다음, 용매를 디캔팅하였다. 펠렛을 진공 하에 건조시켰다. 다음, 건성 물질의 중량을 재었고, 그런 다음, 0.3g의 물질을 Ar 분위기 하에 교반 막대기가 갖추어진 둥근 바닥 플라스크에 놓았다. 무수 부틸 아민(5㎖)을 주사기를 사용해 플라스크에 첨가하였고, 반응이 실온에서 3일 동안 교반되게 놔두어, 부틸아민 내에서 잉크를 수득하였다. 다음, 15㎖의 에탄올을 첨가함으로써 입자를 침전시키고, 원심분리를 통해 수합하고, 용매를 디캔팅하여, 나노입자 펠렛을 수득하였다.CZTS nanoparticles were prepared according to the procedure of Example 1, redispersed in toluene, centrifuged and the solvent decanted. The pellets were dried under vacuum. The dry material was then weighed and then 0.3 g of material was placed in a round bottom flask equipped with a stir bar under Ar atmosphere. Anhydrous butyl amine (5 mL) was added to the flask using a syringe and the reaction was left to stir for 3 days at room temperature, yielding ink in butylamine. The particles were then precipitated by addition of 15 ml of ethanol, collected via centrifugation, and the solvent decanted to give nanoparticle pellets.
실시예 11Example 11
클로로포름에서의 부틸아민-캡핑된 CZTS-나노입자 잉크의 제조Preparation of Butylamine-Capped CZTS-Nanoparticle Inks in Chloroform
실시예 10에 따라 제조된 나노입자 펠렛을 150 ㎎/㎖의 농도에서 클로로포름 내에서 재분산시킨 다음, 0.22㎛ 폴리테트라플루오로에틸렌 필터를 통해 여과하여, 잉크를 발생시켰다.The nanoparticle pellets prepared according to Example 10 were redispersed in chloroform at a concentration of 150 mg / ml and then filtered through a 0.22 μm polytetrafluoroethylene filter to generate ink.
실시예 12Example 12
CZTS 필름의 형성Formation of CZTS Film
실시예 1에 따라 제조된 CZTS의 습식 펠렛(~100 ㎎)을 0.5㎖의 톨루엔 내에 용해시켜, 유체 현탁액을 수득하였다. 현탁액을 5분의 단계에서 브란슨(Branson) 25-10 소니케이터를 사용해 5분 내지 60분 동안 소니케이션시켰다. 최고 품질의 분산액을 30분 내지 45분의 소니케이션 시간을 이용해 수득하였다.The wet pellet (˜100 mg) of CZTS prepared according to Example 1 was dissolved in 0.5 ml of toluene to give a fluid suspension. The suspension was sonicated for 5 to 60 minutes using a Branson 25-10 sonicator in a 5 minute step. The highest quality dispersion was obtained using a sonication time of 30 to 45 minutes.
다음, 스피드-라인 테크놀로지스 3GP 벤치탑 스핀-코터(Speed-line Technologies 3GP benchtop spin-coater)를 사용해, 표본을 유리 기판 상에 스핀-코팅하였고 또한 스퍼터링된 몰리브덴으로 패턴화된 유리 기판의 몰리브덴-코팅된 면 상에도 스핀-코팅하였다. 코팅 속도의 범위는 500rpm 내지 1500rpms이었고, 코팅 시간의 범위는 10초 내지 30초였다. 최고 품질의 코팅물을 1000-rpm, 20-초 스핀 조건에 대해서 수득하였다. 생성 필름의 두께는 50㎚ 내지 800㎚로 다양하였다.Next, using a Speed-line Technologies 3GP benchtop spin-coater, the specimen was spin-coated onto a glass substrate and also molybdenum-coated of the glass substrate patterned with sputtered molybdenum It was also spin-coated on the surface. The coating speed ranged from 500 rpm to 1500 rpm and the coating time ranged from 10 seconds to 30 seconds. The highest quality coatings were obtained for 1000-rpm, 20-second spin conditions. The thickness of the resulting film varied from 50 nm to 800 nm.
다음, 필름을 화로(furnace) 또는 급속 열 어닐링 프로세서 내에서 어닐링하였다. 어닐링 온도의 범위는 400℃ 내지 550℃였고, 시간은 10분 내지 30분으로 다양하였다. 최고 품질의 어닐링된 필름을 500℃ 내지 550℃의 온도에서 15분 동안 어닐링함으로써 수득하였다. 필름 두께 및 조도는 프로필로미터를 이용해 수득하였고, 필름을 추가로 광학 스펙트럼에 의해 특징화하였다. 급속 열 어닐링을 위해, 울박-리코 인코포레이티드(ULVAC-RICO Inc.)(미국, 메사추세츠주, 메튜엔(Methuen, MA))에 의한 MILA-5000 인프라레드 램프 히팅 시스템(MILA-5000 Infrared Lamp Heating System)을 가열에 이용하였고, 시스템을 15℃에서 고정된 폴리사이언스(Polyscience)(미국, 일리노이주, 닐스(Niles, IL)) 재순환 조를 사용해 냉각시켰다. 표본을 하기와 같이 질소 퍼지 하에 가열하였다: 10분 동안 20℃; 1분 내에 400℃로 램프; 2분 동안 400℃에서 고정; 대략 30분 동안 20℃로 다시 냉각.The film was then annealed in a furnace or rapid thermal annealing processor. The annealing temperature ranged from 400 ° C. to 550 ° C. and the time varied from 10 minutes to 30 minutes. The highest quality annealed film was obtained by annealing at a temperature of 500 ° C. to 550 ° C. for 15 minutes. Film thickness and roughness were obtained using a profilometer and the film was further characterized by optical spectra. MILA-5000 Infrared Lamp Heating System by ULVAC-RICO Inc. (Methuen, Mass., USA) for rapid thermal annealing Heating System) was used for heating, and the system was cooled using a fixed Polyscience (Niles, IL, USA) recycle bath at 15 ° C. Samples were heated under a nitrogen purge as follows: 20 ° C. for 10 minutes; Ramp to 400 ° C. in 1 minute; Fixation at 400 ° C. for 2 minutes; Cool back to 20 ° C. for approximately 30 minutes.
실시예 13Example 13
에탄올을 사용한 적심을 통한 CZTS 필름의 치밀화Densification of CZTS Films by Wetting with Ethanol
예비-어닐링된 필름을 실시예 12에서 기재된 바와 같이 제조하였다.코팅된 후에 이들 필름을 스핀 코터 상에 놔둔 다음, 에탄올로 적셨다. 몇 초간 적신 후, 스핀 프로그램을 다시 운행시켜, 필름의 건조를 도왔다. 생성 필름은 적심-전(pre-soaked) 필름보다 더 치밀하였고 더 단단하였다.Pre-annealed films were prepared as described in Example 12. After coating these films were placed on a spin coater and then wetted with ethanol. After soaking for a few seconds, the spin program was run again to help dry the film. The resulting film was denser and harder than the pre-soaked film.
실시예 14Example 14
바-코팅된 CZTS 필름의 형성Formation of Bar-Coated CZTS Films
실시예 1에 따라 제조된 CZTS의 습식 펠렛(대략 100 ㎎)을 톨루엔 및 클로로포름을 포함하여 대략 0.5㎖의 다양한 용매 내에서 용해시켜 잉크를 수득하였다. 생성 CZTS 잉크를 유리 기판 상에 바-코팅하였다. 바-코팅된 필름 중 2개를 550℃에서 15분 동안 화로에서 어닐링하였다. 필름을 XRD를 통해 특징화하였고, 필름 중 일부를 긁어내고, HR-TEM을 통해 분석하였다.Wet pellets (approximately 100 mg) of CZTS prepared according to Example 1 were dissolved in approximately 0.5 ml of various solvents, including toluene and chloroform, to obtain an ink. The resulting CZTS ink was bar-coated on a glass substrate. Two of the bar-coated films were annealed in a furnace at 550 ° C. for 15 minutes. The film was characterized via XRD, some of the film was scraped off and analyzed via HR-TEM.
실시예 15Example 15
스핀-코팅된 CZTS 나노입자-유도된 흡수제 층이 있는 태양 전지Solar Cells with Spin-Coated CZTS Nanoparticle-Induced Absorber Layers
Mo-스퍼터링된 소다 석회 유리 상의 p-형 CZTS 흡수제의 어닐링된 필름을 실시예 12에서 기재된 바와 같이 제조하였다. 다음, 표본을 CdS 조에 놓았고, 약 50㎚의 n-형 CdS를 CZTS 필름의 상부 상에 침착시켰다. 다음, 투명 전도체를 CdS의 상부 상에 스퍼터링하였다. 완료된 디바이스를 1 태양 일루미네이션 하에 시험하였고, J-V 특징을 도 4에서 예시한다.An annealed film of p-type CZTS absorbent on Mo-sputtered soda lime glass was prepared as described in Example 12. The specimen was then placed in a CdS bath and about 50 nm of n-type CdS was deposited on top of the CZTS film. The transparent conductor was then sputtered on top of the CdS. The completed device was tested under 1 solar illumination and the J-V feature is illustrated in FIG. 4.
실시예Example 16 16
열적으로 증발된 나트륨 층이 있는 폴리이미드 기판 상에서의 CZTS-기재 태양 전지CZTS-Based Solar Cells on Polyimide Substrates with Thermally Evaporated Sodium Layer
태양 전지는 고온 폴리이미드 필름를 기판으로서 사용하여 CZTS 흡수제 층을 이용해 제작한다. 실시예 15의 절차 이후, 개질하여, 고성능 태양 전지에 필요한 나트륨의 일부를 제공하고, 매우 얇은 층의 Na (1㎚ 미만)를 Mo 상에서 열적으로 증발시킨다. 다음, CZTS 잉크를 폴리이미드/Mo/Na 기판 상에 코팅시킨다.Solar cells are fabricated using a CZTS absorber layer using a high temperature polyimide film as the substrate. After the procedure of Example 15, the modification is provided to provide some of the sodium needed for a high performance solar cell, and a very thin layer of Na (<1 nm) is thermally evaporated on Mo. Next, the CZTS ink is coated onto the polyimide / Mo / Na substrate.
실시예Example 17 17
나트륨-도핑된 CZTS 잉크로부터 제작되는 폴리이미드 기판 상의 태양 전지Solar Cells on Polyimide Substrates Fabricated from Sodium-Doped CZTS Inks
태양 전지는 실시예 15의 절차에 따라 고온 폴리이미드 필름을 기판으로서 사용하여 CZTS 흡수제 층을 이용해 제작한다. 소듐 옥타노에이트를 0.5중량%에서 잉크 내로 혼입시킨다.Solar cells are fabricated using a CZTS absorber layer using a high temperature polyimide film as the substrate according to the procedure of Example 15. Sodium octanoate is incorporated into the ink at 0.5% by weight.
실시예Example 18 18
원소 칼코겐으로 도핑된 CZTS 잉크CZTS ink doped with elemental chalcogen
CZTS 나노입자의 잉크를 실시예 6의 절차에 따라 형성한다. 아마이크론-크기의 원소 황 입자를 소니케이션하면서 1중량%에서 잉크에 첨가한다. 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 이러한 잉크를 이용해 제작한다.Ink of CZTS nanoparticles is formed according to the procedure of Example 6. Amacron-sized elemental sulfur particles are added to the ink at 1% by weight while sonicating. A solar cell is prepared using this ink according to the procedure of Example 15.
실시예Example 19 19
2원 칼코겐화물 입자로 도핑된 CZTS 잉크CZTS ink doped with binary chalcogenide particles
CZTS 나노입자의 잉크는 실시예 6의 절차에 따라 형성한다. SnS2 및 ZnS의 2원 칼코겐화물 나노입자를 각각 소니케이션과 함께 0.2중량%에서 잉크에 첨가한다. 이러한 잉크를 이용해, 코팅물 및 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.Ink of CZTS nanoparticles is formed according to the procedure of Example 6. Binary chalcogenide nanoparticles of SnS 2 and ZnS are added to the ink at 0.2% by weight, respectively, with sonication. Using this ink, the coating and solar cell were prepared according to the procedure of Example 15.
실시예 20 내지 실시예 25Examples 20-25
다양한 CZTS 잉크를 기반으로 한 코팅물 및 태양 전지Coatings and solar cells based on various CZTS inks
CZTS 나노입자의 잉크를 표 3에서 열거된 절차에 따라 형성한다. 이들 잉크를 이용해, 코팅물 및 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.Ink of CZTS nanoparticles is formed according to the procedures listed in Table 3. Using these inks, the coating and solar cell were prepared according to the procedure of Example 15.
실시예 26Example 26
CZTS 조성물에서의 변형: 황 구배Modifications in CZTS Compositions: Sulfur Gradient
원소 황으로 도핑된 CZTS 나노입자의 10가지 잉크를 실시예 18의 절차에 따라 형성하고, 잉크 내 황의 중량%는 0.1중량%의 단계로 1.0중량% 내지 0.1중량%로 다양하다. 황 구배가 있는 CZTS 필름을 표 4에서 보여진 바와 같은 각각의 층에 대한 잉크 조성물을 사용해 연속적 분무 패스(consecutive spray passes) 내 CZTS 잉크를 분무-코팅함으로써 Mo-스퍼터링된 소다 석회 유리 상에 제조한다. 이러한 흡수제 층을 이용해, 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.Ten inks of CZTS nanoparticles doped with elemental sulfur were formed according to the procedure of Example 18, and the weight percent sulfur in the ink varied from 1.0 weight percent to 0.1 weight percent in steps of 0.1 weight percent. A CZTS film with a sulfur gradient is prepared on Mo-sputtered soda lime glass by spray-coating CZTS ink in continuous spray passes using the ink composition for each layer as shown in Table 4. Using this absorbent layer, a solar cell is fabricated according to the procedure of Example 15.
실시예 27Example 27
CZTS 조성물에서의 변형: Cu 구배가 있는 Cu-푸어(Cu-Poor)Modifications in CZTS Compositions: Cu-Poor with Cu Gradients
SnS2 및 ZnS의 2원 칼코겐화물 나노입자로 도핑된 CZTS 나노입자의 10가지 잉크를 실시예 19의 절차에 따라 형성하고, 잉크 내 2원 칼코겐화물 나노입자의 중량%는 0.05중량%의 단계로 0중량% 내지 0.45중량%로 다양하다. 구리 구배에서 구리가 적은 CZTS 필름을 표 4에서 보여진 바와 같은 각각의 층에 대한 잉크 조성물을 사용해 연속적 분무 패스 내 CZTS 잉크를 분무-코팅함으로써 Mo-스퍼터링된 소다 석회 유리 상에 제조한다. 이러한 흡수제 층을 이용해, 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.Ten inks of CZTS nanoparticles doped with binary chalcogenide nanoparticles of SnS 2 and ZnS were formed according to the procedure of Example 19, and the weight percentage of binary chalcogenide nanoparticles in the ink was 0.05% by weight. Steps vary from 0% to 0.45% by weight. A low copper CZTS film in a copper gradient is prepared on Mo-sputtered soda lime glass by spray-coating CZTS ink in a continuous spray pass using the ink composition for each layer as shown in Table 4. Using this absorbent layer, a solar cell is fabricated according to the procedure of Example 15.
실시예 28Example 28
CZTS 나노입자의 분무-코팅Spray-Coating of CZTS Nanoparticles
CZTS 나노입자(100 ㎎)를 실시예 1의 절차에 따라 제조하였다. 나노입자를 5㎖의 클로로포름 내에 현탁시킨 다음, 현탁액을 침착 전에 10분 동안 소니케이션하였다.잉크를 표 5에 주어진 조건에 따라 Mo-스퍼터링된 소다 석회 유리 상에 분무하였다. 이러한 흡수제 층을 이용해, 태양 전지를 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.CZTS nanoparticles (100 mg) were prepared according to the procedure of Example 1. The nanoparticles were suspended in 5 ml of chloroform and then the suspension was sonicated for 10 minutes prior to deposition. The ink was sprayed onto Mo-sputtered soda lime glass according to the conditions given in Table 5. Using this absorbent layer, a solar cell is fabricated according to the procedure of Example 15.
실시예 29Example 29
절연성 ZnO 창(Window)Insulating ZnO Window
태양 전지는 CdS 대신에 창으로서 절연성 ZnO를 이용하여 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.The solar cell was fabricated according to the procedure of Example 15 using insulating ZnO as the window instead of CdS.
실시예 30Example 30
CZTSCZTS 흡수제 층 및 Absorbent layer and
탄소 나노튜브-기재 투명 전도체를 갖는 태양 전지Solar Cells with Carbon Nanotube-Based Transparent Conductors
태양 전지는 ZnO:Al 대신에 탄소 나노튜브-기재 투명 전도체를 이용하여 실시예 15의 절차에 따라 제작한다.Solar cells are fabricated according to the procedure of Example 15 using carbon nanotube-based transparent conductors instead of ZnO: Al.
실시예 31Example 31
전자파 복사를 통해 합성되는 CZTS 나노입자CZTS nanoparticles synthesized by electromagnetic radiation
하기 절차에서, 모든 금속염 및 원소 황은 100℃에서 올레일아민 내에 용해시킨다: 5㎖의 올레일아민 내에 용해된 80 ㎎(0.586mmol) 의 염화아연의 용액, 5㎖의 올레일아민 내에 용해된 102 ㎎(0.587mmol)의 염화 제2주석의 용액, 5㎖의 올레일아민 내에 용해된 77 ㎎(0.777mmol)의 구리 아염화물의 용액 및 5㎖의 올레일아민 내에 용해된 163 ㎎(5.08mmol)의 원소 황의 용액을 동시에 혼합하고, 교반 막대기가 갖추어진 전자파 합성기 특수 바이알 내에 로딩하였다. 다음, 바이알을 230℃의 열 설정점이 있는 이니시에이터-8 전자파(Initiator-8 microwave)(스웨덴, 바이오테이지(Biotage, Sweden)) 내로 로딩한다. 230℃에 도달한 후, 시스템을 이 온도에서 10분 동안 유지시킨 다음, 바이알을 시스템으로부터 제거한다. 30분 동안 랙에서 냉각시킨 후, 바이알을 열고, 반응 혼합물을 2개의 50㎖ 팔콘 시험 튜브(Falcon test tube) 내로 동일한 부피(각각 20㎖)로서 전달한다. 다음, 20㎖ 부피의 에탄올을 각각의 튜브에 첨가한다. 입자를 원심분리를 통해 수합하고, 용매를 디캔팅한다.In the following procedure, all metal salts and elemental sulfur are dissolved in oleylamine at 100 ° C .: 80 mg (0.586 mmol) solution of zinc chloride dissolved in 5 ml oleylamine, 102 dissolved in 5 ml oleylamine. Mg (0.587 mmol) solution of ditin tin chloride, solution of 77 mg (0.777 mmol) copper chlorite dissolved in 5 ml oleylamine and 163 mg (5.08 mmol) dissolved in 5 ml oleylamine A solution of elemental sulfur of was simultaneously mixed and loaded into a special vial equipped with an electromagnetic wave synthesizer equipped with a stirring rod. The vial is then loaded into an Initiator-8 microwave (Biotage, Sweden) with a heat set point of 230 ° C. After reaching 230 ° C., the system is held at this temperature for 10 minutes and then the vial is removed from the system. After cooling in the rack for 30 minutes, the vial is opened and the reaction mixture is delivered as equal volumes (20 ml each) into two 50 ml Falcon test tubes. Next, 20 mL volume of ethanol is added to each tube. The particles are collected by centrifugation and the solvent is decanted.
실시예 32Example 32
CZTS 필름의 황화Sulfurization of CZTS Film
CZTS 나노입자를 실시예 1의 절차에 따라 제조하였다. 실시예 1에 따라 제조된 CZTS의 습식 펠렛(대략 100 ㎎)을 톨루엔 및 클로로포름을 포함하여 대략 0.5㎖의 다양한 용매 내에서 현탁시켜, 잉크를 수득하였다. 생성 CZTS 잉크를 유리 기판 상에 바-코팅하였다. 바-코팅된 필름을 풍부한 황 분위기 하에 그리고 질소 분위기의 연속적인 유동 하에 500℃에서 1시간 동안 화로 내에서 어닐링하였다. 어닐링은 외부 온도 조절기 및 5.1 ㎝(2인치) 석영 튜브가 갖추어진 단일-구역 린드버그/블루(미국, 노스캐롤라이나주, 애쉬빌(Lindberg/Blue (Ashville, NC))) 튜브 화로에서 수행하였다. 코팅된 기판을 튜브의 내부에 있는 석영 플레이트 상에 놓았다. 7.6 ㎝(3인치) 길이의 세라믹 보트에 2.5g의 원소 황을 로딩하였고, 직접 가열 구역 외부의 질소 주입구 근처에 놓았다.CZTS nanoparticles were prepared according to the procedure of Example 1. Wet pellets (approximately 100 mg) of CZTS prepared according to Example 1 were suspended in approximately 0.5 ml of various solvents, including toluene and chloroform, to obtain an ink. The resulting CZTS ink was bar-coated on a glass substrate. The bar-coated film was annealed in the furnace for 1 hour at 500 ° C. under rich sulfur atmosphere and under continuous flow of nitrogen atmosphere. Annealing was carried out in a single-zone Lindberg / Blue (Lindberg / Blue (Ashville, NC)) tube furnace equipped with an external thermostat and a 5.1 cm (2 inch) quartz tube. The coated substrate was placed on a quartz plate inside the tube. A 7.6 cm (3 inch) long ceramic boat was loaded with 2.5 g of elemental sulfur and placed near the nitrogen inlet outside the direct heating zone.
실시예 33Example 33
CZTS 필름의 셀레늄화Seleniumization of CZTS Films
CZTS 나노입자를 실시예 1의 절차에 따라 제조한다. 실시예 1에 따라 제조된 CZTS의 습식 펠렛(대략 100 ㎎)을 톨루엔 및 클로로포름을 포함하여 대략 0.5㎖의 다양한 용매 내에서 현탁시켜, 잉크를 수득한다. 생성 CZTS 잉크를 유리 기판 상에 바-코팅한다. 바-코팅된 필름을 풍부한 셀레늄 분위기 하에 그리고 질소 분위기의 연속적인 유동 하에 500℃에서 1시간 동안 화로 내에서 어닐링한다. 표본을 중심에 1mm 정공 및 립(lip)이 있는 뚜껑이 갖추어진 0.3 ㎝(1/8") 벽이 있는 12.7 ㎝(5")L × 3.6 ㎝(1.4")W × 2.5 ㎝(1")H 흑연 상자에 놓는다(미국, 일리노이주, 하바드, 인더스트리얼 그래파이트 세일즈(Industrial Graphite Sales, Harvard, IL)에 의해 주문-제작됨). 각각의 흑연 상자에는 0.1g의 셀레늄을 함유하는, 각각의 말단에 2개의 작은 세라믹 보트(boat)(2.50 ㎝(0.984")L × 1.50 ㎝(0.591")W × 0.50 ㎝(0.197")H)가 갖추어져 있다. 다음, 흑연 상자를 5.1 ㎝(2인치) 튜브에 놓고, 튜브 당 2개 이하의 흑연 상자가 존재한다. 진공을 튜브에 10분 내지 15분 동안 적용하고, 이어서 10분 내지 15분 동안 질소 퍼지를 한다. 이러한 퍼징 과정은 3회 수행한다. 다음, 가열 및 냉각 둘다가 질소 퍼지 하에 수행되는 단일-구역 화로 내에서 흑연 상자를 함유하는 튜브를 500℃에서 1시간 동안 가열한다. 빠져나가는 기체를 연속적 버블러를 통해 살포한다: 1M NaOH(수성) 및 이어서 1M Cu(NO3)2(수성).CZTS nanoparticles are prepared according to the procedure of Example 1. Wet pellets (approximately 100 mg) of CZTS prepared according to Example 1 were suspended in approximately 0.5 ml of various solvents, including toluene and chloroform, to obtain an ink. The resulting CZTS ink is bar-coated on a glass substrate. The bar-coated film is annealed in the furnace for 1 hour at 500 ° C. under a rich selenium atmosphere and under a continuous flow of nitrogen atmosphere. 12.7 cm (5 ") L x 3.6 cm (1.4") W x 2.5 cm (1 ") with 0.3 cm (1/8") wall with 1 mm hole and lid with lip in center Placed in a H graphite box (customized to Industrial Graphite Sales, Harvard, IL), Harvard, Illinois, USA. Each graphite box contains 0.1 g of selenium, two small ceramic boats (2.50 cm (0.984 ") L x 1.50 cm (0.591") W x 0.50 cm (0.197 ") H at each end The graphite box is then placed in a 5.1 cm (2 inch) tube and there are no more than two graphite boxes per tube, vacuum is applied to the tube for 10 to 15 minutes, followed by 10 to 15 minutes. The purge process is carried out three times, and then the tube containing the graphite box is heated at 500 ° C. for 1 hour in a single-zone furnace where both heating and cooling are carried out under nitrogen purge. Outgoing gas is sparged through a continuous bubbler: 1 M NaOH (aq) followed by 1 M Cu (NO 3) 2 (aq).
본 명세서에서 수치 값의 범위가 언급되거나 확립되는 경우, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 개별 정수 및 분수를 포함하며, 또한 기술된 범위 내의 값의 더 큰 군의 하위군을 형성하기 위하여 이들 종점과 내부의 정수 및 분수의 모든 가능한 다양한 조합에 의해 형성된 그 안의 더 좁은 범위의 각각을 마치 이들 더 좁은 범위 각각이 명백하게 언급된 것처럼 동일한 정도로 포함한다. 수치 값의 범위가 기술된 값보다 큰 것으로 본 명세서에서 기술될 경우, 그 범위는 그럼에도 불구하고 유한하며, 그 범위는 본 명세서에 개시된 본 발명의 내용 내에서 작동가능한 값에 의해 그 범위 상한에서의 경계가 이루어진다. 수치 값의 범위가 기술된 값 미만인 것으로 기술될 경우, 그 범위는 그럼에도 불구하고 0이 아닌 값에 의해 그 범위 하한에서의 경계가 이루어진다.When a range of numerical values is mentioned or established herein, the range includes the endpoint and all individual integers and fractions within that range, and also to form a subgroup of a larger group of values within the stated range. Each of the narrower ranges formed therein by the end points and all possible various combinations of integers and fractions inside includes the same extent as if each of these narrower ranges were explicitly mentioned. When a range of numerical values is described herein as being greater than the stated values, the ranges are nevertheless finite, and the ranges are defined at their upper limits by values operable within the context of the invention disclosed herein. Boundaries are made. If a range of numerical values is described as being less than the stated value, then the range is nevertheless bounded by the nonzero value at the lower end of the range.
본 명세서에서, 달리 언급되거나 본원에서 언급된 용도, 양, 크기, 범위, 제형, 파라미터, 및 기타 양 및 특징의 문맥에 의해 반대로 지시되지 않는 한, 특히 용어 "약"에 의해 변형되는 경우, 정확할 필요가 없을 수 있고, 또한 대략적으로 언급된 것 및/또는 언급된 것보다 더 크거나 작을 수 있으며(필요하다면), 이는 허용오차, 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등 뿐만 아니라 본 발명의 문맥 내에서 언급된 값에 작용적인 및/또는 조작가능하게 대응하는 값을 포함함을 반영한다.In this specification, unless specifically indicated otherwise by the context of the use, amount, size, range, formulation, parameters, and other amounts and features recited or referred to herein, and unless specifically modified by the term "about", It may not be necessary, and may also be larger or smaller (if necessary) than roughly mentioned and / or mentioned, which is within the context of the present invention as well as tolerances, conversion factors, rounding, measurement errors, etc. Reflecting a value that is operatively and / or operatively corresponding to the stated value.
본 명세서에서, 명백하게 달리 기술되거나 사용 맥락에 의해 반대로 지시되지 않으면, 본 명세서의 요지의 실시 양태가 소정의 특색 또는 요소를 포함하거나, 비롯하거나, 함유하거나, 갖거나, 이로 이루어지거나 이에 의해 또는 이로 구성되는 것으로서 기술되거나 설명된 경우에, 명백하게 기술되거나 설명된 것들에 더하여 하나 이상의 특색 또는 요소가 실시 양태에 존재할 수 있다. 그러나, 본 명세서의 요지의 대안적 실시 양태는 소정의 특색 또는 요소로 본질적으로 이루어지는 것으로서 기술되거나 설명될 수 있는데, 이 실시 양태에서는 실시 양태의 작동 원리 또는 구별되는 특징을 현저히 변화시키는 특색 또는 요소가 구현예 내에 존재하지 않는다. 본 명세서의 요지의 추가의 대안적 실시 양태는 소정의 특색 또는 요소로 이루어지는 것으로서 기술되거나 설명될 수 있는데, 이 실시 양태에서 또는 그의 크지 않은 변형예에서는 구체적으로 기술되거나 설명된 특색 또는 요소만이 존재한다.In this specification, an embodiment of the subject matter of this disclosure includes, originates, contains, has, consists of, or is made of, or otherwise incorporates, certain features or elements, unless expressly stated otherwise or contrary to the context of use. When described or described as being constructed, one or more features or elements may be present in the embodiments in addition to those explicitly described or described. However, alternative embodiments of the present subject matter may be described or described as consisting essentially of certain features or elements, where features or elements that significantly change the operating principle or distinctive features of the embodiments are provided. It does not exist in the embodiment. Additional alternative embodiments of the present subject matter may be described or described as consisting of certain features or elements, in which only those features or elements are specifically described or described. do.
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